V periodickej tabuľke má svoje špecifické postavenie, ktoré odráža vlastnosti, ktoré vykazuje a hovorí o ňom elektronická štruktúra. Medzi všetkými je však jeden špeciálny atóm, ktorý zaberá dve bunky naraz. Nachádza sa v dvoch skupinách prvkov, ktoré sú svojimi vlastnosťami úplne opačné. Toto je vodík. Takéto vlastnosti ho robia jedinečným.
Vodík nie je len prvok, ale aj jednoduchá látka, ako aj neoddeliteľná súčasť mnohých komplexných zlúčenín, biogénny a organogénny prvok. Preto sa pozrime na jeho charakteristiky a vlastnosti podrobnejšie.
Vodík ako chemický prvok
Vodík je prvkom prvej skupiny hlavnej podskupiny, ako aj siedmej skupiny hlavnej podskupiny v prvom menšom období. Toto obdobie pozostáva iba z dvoch atómov: hélia a prvku, ktorý uvažujeme. Opíšme hlavné znaky polohy vodíka v periodickej tabuľke.
- Atómové číslo vodíka je 1, počet elektrónov je rovnaký, a teda aj počet protónov je rovnaký. Atómová hmotnosť - 1,00795. Existujú tri izotopy tohto prvku s hmotnostnými číslami 1, 2, 3. Vlastnosti každého z nich sú však veľmi odlišné, pretože zvýšenie hmotnosti aj o jeden pre vodík je okamžite dvojnásobné.
- Skutočnosť, že na svojom vonkajšom povrchu obsahuje iba jeden elektrón, mu umožňuje úspešne prejavovať oxidačné aj redukčné vlastnosti. Navyše po darovaní elektrónu zostáva voľný orbitál, ktorý sa podieľa na vzniku chemické väzby podľa mechanizmu donor-akceptor.
- Vodík je silné redukčné činidlo. Preto je jeho hlavné miesto považované za prvú skupinu hlavnej podskupiny, kde vedie najaktívnejšie kovy - alkálie.
- Avšak pri interakcii so silnými redukčnými činidlami, ako sú kovy, môže byť tiež oxidačným činidlom, ktoré prijíma elektrón. Tieto zlúčeniny sa nazývajú hydridy. Podľa tejto vlastnosti vedie podskupinu halogénov, s ktorými je podobný.
- Vďaka veľmi malému atómová hmotnosť, vodík je považovaný za najľahší prvok. Navyše, jeho hustota je tiež veľmi nízka, takže je tiež meradlom ľahkosti.
Je teda zrejmé, že atóm vodíka je úplne jedinečný prvok, na rozdiel od všetkých ostatných prvkov. V dôsledku toho sú jeho vlastnosti tiež špeciálne a veľmi dôležité sú vytvorené jednoduché a zložité látky. Zvážme ich ďalej.
Jednoduchá látka
Ak hovoríme o tomto prvku ako o molekule, potom musíme povedať, že je dvojatómový. To znamená, že vodík (jednoduchá látka) je plyn. Jeho empirický vzorec bude napísaný ako H2 a jeho grafický vzorec bude napísaný prostredníctvom jediného vzťahu sigma H-H. Mechanizmus tvorby väzby medzi atómami je kovalentný nepolárny.
- Parné reformovanie metánu.
- Splyňovanie uhlia - proces zahŕňa ohrev uhlia na 1000 0 C, výsledkom čoho je vznik vodíka a uhlia s vysokým obsahom uhlíka.
- Elektrolýza. Túto metódu možno použiť iba na vodné roztoky rôzne soli, pretože taveniny nevedú k úniku vody na katóde.
Laboratórne metódy výroby vodíka:
- Hydrolýza hydridov kovov.
- Vplyv zriedených kyselín na aktívne kovy a strednú aktivitu.
- Interakcia alkalických kovov a kovov alkalických zemín s vodou.
Aby ste zhromaždili vyrobený vodík, musíte držať skúmavku hore dnom. Tento plyn sa predsa nedá zbierať tak, ako napríklad oxid uhličitý. Toto je vodík, je oveľa ľahší ako vzduch. Rýchlo sa vyparuje a vo veľkom množstve pri zmiešaní so vzduchom exploduje. Preto by mala byť skúmavka prevrátená. Po jeho naplnení ho treba uzavrieť gumenou zátkou.
Ak chcete skontrolovať čistotu zozbieraného vodíka, mali by ste priniesť zapálenú zápalku na krk. Ak je klapanie tupé a tiché, znamená to, že plyn je čistý, s minimálnymi nečistotami vo vzduchu. Ak je hlasný a píska, je špinavý, s veľkým podielom cudzích zložiek.
Oblasti použitia
Pri spaľovaní vodíka sa uvoľňuje také veľké množstvo energie (tepla), že tento plyn je považovaný za najziskovejšie palivo. Navyše je šetrný k životnému prostrediu. Jeho uplatnenie v tejto oblasti je však zatiaľ obmedzené. Dôvodom sú nedomyslené a neriešené problémy syntézy čistého vodíka, ktorý by bol vhodný na použitie ako palivo v reaktoroch, motoroch a prenosných zariadeniach, ako aj v kotloch na vykurovanie domácností.
Koniec koncov, spôsoby výroby tohto plynu sú dosť drahé, takže najprv je potrebné vyvinúť špeciálnu metódu syntézy. Taký, ktorý vám umožní získať produkt vo veľkých objemoch a s minimálnymi nákladmi.
Existuje niekoľko hlavných oblastí, v ktorých sa plyn, ktorý uvažujeme, používa.
- Chemické syntézy. Hydrogenácia sa používa na výrobu mydiel, margarínov a plastov. Za účasti vodíka sa syntetizuje metanol a amoniak, ako aj ďalšie zlúčeniny.
- V potravinárskom priemysle - ako prísada E949.
- Letecký priemysel (raketová veda, výroba lietadiel).
- Elektroenergetika.
- Meteorológia.
- Ekologické palivo.
Je zrejmé, že vodík je rovnako dôležitý ako v prírode zastúpený. Ešte väčšiu úlohu zohrávajú rôzne zlúčeniny, ktoré tvorí.
Zlúčeniny vodíka
Ide o zložité látky obsahujúce atómy vodíka. Existuje niekoľko hlavných typov takýchto látok.
- Halogenidy vodíka. Všeobecný vzorec je HHal. Osobitný význam medzi nimi má chlorovodík. Je to plyn, ktorý sa rozpúšťa vo vode za vzniku roztoku kyseliny chlorovodíkovej. Táto kyselina je široko používaná takmer vo všetkých chemických syntézach. Navyše organické aj anorganické. Chlorovodík je zlúčenina s empirickým vzorcom HCL a je jednou z najväčších vyrobených u nás ročne. Halogenidy tiež zahŕňajú jodovodík, fluorovodík a bromovodík. Všetky tvoria zodpovedajúce kyseliny.
- Prchavé Takmer všetky z nich sú dosť jedovaté plyny. Napríklad sírovodík, metán, silán, fosfín a iné. Zároveň sú veľmi horľavé.
- Hydridy sú zlúčeniny s kovmi. Patria do triedy solí.
- Hydroxidy: zásady, kyseliny a amfotérne zlúčeniny. Nevyhnutne obsahujú atómy vodíka, jeden alebo viac. Príklad: NaOH, K 2, H 2 SO 4 a iné.
- Hydroxid vodíka. Táto zlúčenina je známejšia ako voda. Ďalším názvom je oxid vodíka. Empirický vzorec vyzerá takto - H2O.
- Peroxid vodíka. Je to silné oxidačné činidlo, ktorého vzorec je H202.
- Početné organické zlúčeniny: uhľovodíky, bielkoviny, tuky, lipidy, vitamíny, hormóny, esenciálne oleje a ďalšie.
Je zrejmé, že rozmanitosť zlúčenín prvku, ktorý uvažujeme, je veľmi veľká. To opäť potvrdzuje jeho veľký význam pre prírodu a človeka, ako aj pre všetky živé bytosti.
- toto je najlepšie rozpúšťadlo
Ako bolo uvedené vyššie, bežný názov pre túto látku je voda. Pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného kyslíka, ktoré sú spojené kovalentnými polárnymi väzbami. Molekula vody je dipól, čo vysvetľuje mnohé z vlastností, ktoré vykazuje. Ide najmä o univerzálne rozpúšťadlo.
Vo vodnom prostredí prebiehajú takmer všetky chemické procesy. Vnútorné reakcie metabolizmu plastov a energie v živých organizmoch sa uskutočňujú aj pomocou oxidu vodíka.
Voda je právom považovaná za najdôležitejšiu látku na planéte. Je známe, že bez nej nemôže žiť žiadny živý organizmus. Na Zemi môže existovať v troch stavoch agregácie:
- kvapalina;
- plyn (para);
- pevné (ľad).
V závislosti od izotopu vodíka obsiahnutého v molekule sa rozlišujú tri typy vody.
- Svetlo alebo protium. Izotop s hmotnostným číslom 1. Vzorec - H 2 O. Toto je obvyklá forma, ktorú používajú všetky organizmy.
- Deutérium alebo ťažké, jeho vzorec je D 2 O. Obsahuje izotop 2 H.
- Super ťažké alebo trícium. Vzorec vyzerá ako T3O, izotop - 3H.
Zásoby čerstvej protium vody na planéte sú veľmi dôležité. V mnohých krajinách je ho už teraz nedostatok. Vyvíjajú sa spôsoby úpravy slanej vody na výrobu pitnej vody.
Peroxid vodíka je univerzálny liek
Táto zlúčenina, ako je uvedené vyššie, je vynikajúcim oxidačným činidlom. So silnými predstaviteľmi sa však vie správať aj ako reštaurátor. Okrem toho má výrazný baktericídny účinok.
Ďalším názvom tejto zlúčeniny je peroxid. V tejto forme sa používa v medicíne. 3% roztok kryštalického hydrátu predmetnej zlúčeniny je medicínsky liek, ktorý sa používa na liečbu malých rán za účelom ich dezinfekcie. Je však dokázané, že sa tým zvyšuje doba hojenia rany.
Peroxid vodíka sa tiež používa v raketovom palive, v priemysle na dezinfekciu a bielenie a ako penidlo na výrobu vhodných materiálov (napríklad peny). Okrem toho peroxid pomáha čistiť akvária, bieliť vlasy a bieliť zuby. Spôsobuje však poškodenie tkanív, preto ho odborníci na tieto účely neodporúčajú.
Vodík je plyn, je na prvom mieste v periodickej tabuľke. Názov tohto prvku, ktorý je v prírode rozšírený, je preložený z latinčiny ako „tvorba vody“. Takže aké fyzické a Chemické vlastnosti vodík poznáme?
Vodík: všeobecné informácie
O normálnych podmienkach Vodík nemá chuť, vôňu ani farbu.
Ryža. 1. Vzorec vodíka.
Keďže atóm má jednu elektrónovú energetickú hladinu, ktorá môže obsahovať maximálne dva elektróny, potom pre stabilný stav môže atóm buď prijať jeden elektrón (oxidačný stav -1), alebo jeden elektrón odovzdať (oxidačný stav +1), pričom konštantná valencia I Preto je symbol prvku vodík umiestnený nielen v skupine IA (hlavná podskupina skupiny I) spolu s alkalickými kovmi, ale aj v skupine VIIA (hlavná podskupina skupiny VII) spolu s halogénmi . Atómom halogénu tiež chýba jeden elektrón na vyplnenie vonkajšej úrovne a rovnako ako vodík sú nekovy. Vodík vykazuje kladný oxidačný stav v zlúčeninách, kde je spojený s viac elektronegatívnymi nekovovými prvkami, a záporný oxidačný stav v zlúčeninách s kovmi.
Ryža. 2. Umiestnenie vodíka v periodickej tabuľke.
Vodík má tri izotopy, z ktorých každý má svoj vlastný názov: protium, deutérium, trícium. Ich množstvo na Zemi je zanedbateľné.
Chemické vlastnosti vodíka
V jednoduchej látke H2 je väzba medzi atómami pevná (energia väzby 436 kJ/mol), preto je aktivita molekulárneho vodíka nízka. Za normálnych podmienok reaguje len s veľmi reaktívnymi kovmi a jediným nekovom, s ktorým vodík reaguje, je fluór:
F2+H2=2HF (fluorovodík)
Vodík reaguje s inými jednoduchými (kovy a nekovy) a komplexnými (oxidy, nešpecifikované organické zlúčeniny) látkami buď po ožiarení a zvýšenej teplote, alebo v prítomnosti katalyzátora.
Vodík horí v kyslíku, pričom sa uvoľňuje značné množstvo tepla:
2H2+02=2H20
Zmes vodíka a kyslíka (2 objemy vodíka a 1 objem kyslíka) pri zapálení prudko exploduje a preto sa nazýva detonačný plyn. Pri práci s vodíkom treba dodržiavať bezpečnostné predpisy.
Ryža. 3. Výbušný plyn.
V prítomnosti katalyzátorov môže plyn reagovať s dusíkom:
3H2+N2=2NH3
– touto reakciou pri zvýšených teplotách a tlakoch vzniká v priemysle amoniak.
Pri vysokých teplotách je vodík schopný reagovať so sírou, selénom a telúrom. a pri interakcii s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín dochádza k tvorbe hydridov: 4.3. Celkový počet získaných hodnotení: 186.
Priemyselné spôsoby výroby jednoduchých látok závisia od formy, v ktorej sa príslušný prvok nachádza v prírode, teda čo môže byť surovinou na jeho výrobu. Kyslík, ktorý je dostupný vo voľnom stave, sa teda získava fyzikálne – oddelením od kvapalného vzduchu. Takmer všetok vodík je vo forme zlúčenín, preto sa na jeho získanie používajú chemické metódy. Môžu sa použiť najmä rozkladné reakcie. Jedným zo spôsobov výroby vodíka je rozklad vody elektrickým prúdom.
Základné priemyselná metóda výroba vodíka - reakcia metánu, ktorý je súčasťou zemného plynu, s vodou. Vykonáva sa pri vysokej teplote (je ľahké overiť, že pri prechode metánu aj cez vriacu vodu nedochádza k žiadnej reakcii):
CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ
V laboratóriu na získanie jednoduchých látok nemusia nevyhnutne používať prírodné suroviny, ale vyberajú tie východiskové materiály, z ktorých je ľahšie izolovať požadovanú látku. Napríklad v laboratóriu sa kyslík nezíska zo vzduchu. To isté platí pre výrobu vodíka. Jednou z laboratórnych metód výroby vodíka, ktorá sa niekedy používa v priemysle, je rozklad vody elektrickým prúdom.
Typicky sa vodík vyrába v laboratóriu reakciou zinku s kyselinou chlorovodíkovou.
V priemysle
1.Elektrolýza vodných roztokov solí:
2NaCl + 2H20 -> H2 + 2NaOH + Cl2
2.Prechod vodnej pary cez horúci koks pri teplotách okolo 1000°C:
H20 + C ⇄ H2 + CO
3.Zo zemného plynu.
Konverzia pary: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Katalytická oxidácia kyslíkom: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2
4. Krakovanie a reformovanie uhľovodíkov počas rafinácie ropy.
V laboratóriu
1.Vplyv zriedených kyselín na kovy. Na uskutočnenie tejto reakcie sa najčastejšie používa zinok a kyselina chlorovodíková:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2
2.Interakcia vápnika s vodou:
Ca + 2H20 -> Ca(OH)2 + H2
3.Hydrolýza hydridov:
NaH + H20 → NaOH + H2
4.Vplyv alkálií na zinok alebo hliník:
2Al + 2NaOH + 6H20 → 2Na + 3H2Zn + 2KOH + 2H20 → K2 + H2
5.Pomocou elektrolýzy. Pri elektrolýze vodných roztokov zásad alebo kyselín sa na katóde uvoľňuje vodík, napr.
2H30 + 2e - -> H2 + 2H20
- Bioreaktor na výrobu vodíka
Fyzikálne vlastnosti
Plynný vodík môže existovať v dvoch formách (modifikáciách) – vo forme orto – a para-vodíka.
V molekule ortovodíka (t.t. -259,10 °C, bp -252,56 °C) sú jadrové spiny smerované identicky (paralelne) a v paravodíku (t.t. -259,32 °C, bp. bod varu -252,89 °C) - oproti sebe (antiparalelné).
Alotropické formy vodíka je možné oddeliť adsorpciou na aktívnom uhlí pri teplote tekutý dusík. Pri veľmi nízkych teplotách je rovnováha medzi ortovodíkom a paravodíkom takmer úplne posunutá smerom k paravodíku. Pri 80 K je pomer foriem približne 1:1. Pri zahrievaní sa desorbovaný paravodík premieňa na ortovodík, kým sa nevytvorí zmes, ktorá je v rovnováhe pri teplote miestnosti (orto-para: 75:25). Bez katalyzátora prebieha transformácia pomaly, čo umožňuje študovať vlastnosti jednotlivých alotropných foriem. Molekula vodíka je dvojatómová - H₂. Za normálnych podmienok je to bezfarebný plyn bez zápachu a chuti. Vodík je najľahší plyn, jeho hustota je mnohonásobne menšia ako hustota vzduchu. Je zrejmé, že čím menšia je hmotnosť molekúl, tým vyššia je ich rýchlosť pri rovnakej teplote. Ako najľahšie molekuly sa molekuly vodíka pohybujú rýchlejšie ako molekuly akéhokoľvek iného plynu, a preto môžu rýchlejšie prenášať teplo z jedného telesa do druhého. Z toho vyplýva, že vodík má spomedzi plynných látok najvyššiu tepelnú vodivosť. Jeho tepelná vodivosť je približne sedemkrát vyššia ako tepelná vodivosť vzduchu.
Chemické vlastnosti
Molekuly vodíka H₂ sú dosť silné a na to, aby vodík reagoval, je potrebné vynaložiť veľa energie: H 2 = 2H - 432 kJ Preto vodík pri bežných teplotách reaguje len s veľmi aktívnymi kovmi, napríklad vápnikom, pričom vzniká vápnik. hydrid: Ca + H 2 = CaH 2 a s jediným nekovom - fluórom, za vzniku fluorovodíka: F 2 + H 2 = 2HF S väčšinou kovov a nekovov vodík reaguje pri zvýšených teplotách alebo pri iných vplyvoch, napr. , osvetlenie. Môže „odoberať“ kyslík niektorým oxidom, napr.: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 Napísaná rovnica odráža redukčnú reakciu. Redukčné reakcie sú procesy, pri ktorých sa zo zlúčeniny odstraňuje kyslík; Látky, ktoré odoberajú kyslík, sa nazývajú redukčné činidlá (samotné oxidujú). Ďalej bude uvedená ďalšia definícia pojmov „oxidácia“ a „redukcia“. A táto definícia, historicky prvá, si zachováva svoj význam aj dnes, najmä v organická chémia. Redukčná reakcia je opakom oxidačnej reakcie. Obe tieto reakcie prebiehajú vždy súčasne ako jeden proces: keď sa jedna látka oxiduje (redukuje), nevyhnutne súčasne prebieha redukcia (oxidácia) inej.
N2 + 3H2 -> 2 NH3
Formy s halogénmi halogenovodíky:
F 2 + H 2 → 2 HF, reakcia prebieha explozívne v tme a pri akejkoľvek teplote, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reakcia prebieha explozívne, iba na svetle.
Pri vysokej teplote interaguje so sadzami:
C + 2H2 -> CH4
Interakcia s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín
Vodík sa tvorí s aktívnymi kovmi hydridy:
Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2
Hydridy- soli podobné, pevné látky, ľahko hydrolyzovateľné:
CaH2 + 2H20 -> Ca(OH)2 + 2H2
Interakcia s oxidmi kovov (zvyčajne d-prvky)
Oxidy sa redukujú na kovy:
CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H20
Hydrogenácia organických zlúčenín
Keď vodík pôsobí na nenasýtené uhľovodíky v prítomnosti niklového katalyzátora a pri zvýšených teplotách, dochádza k reakcii hydrogenácia:
CH2=CH2 + H2 -> CH3-CH3
Vodík redukuje aldehydy na alkoholy:
CH3CHO + H2 -> C2H5OH.
Geochémia vodíka
Vodík je hlavným stavebným materiálom vesmíru. Je to najbežnejší prvok a všetky prvky z neho vznikajú v dôsledku termonukleárnych a jadrových reakcií.
Voľný vodík H2 je v pozemských plynoch pomerne vzácny, ale vo forme vody má mimoriadne dôležitú úlohu v geochemických procesoch.
Vodík môže byť prítomný v mineráloch vo forme amónneho iónu, hydroxylového iónu a kryštalickej vody.
V atmosfére neustále vzniká vodík v dôsledku rozkladu vody slnečným žiarením. Migruje do vyšších vrstiev atmosféry a uniká do vesmíru.
Aplikácia
- Energia vodíka
Atómový vodík sa používa na zváranie atómovým vodíkom.
V potravinárskom priemysle je vodík registrovaný ako prídavné látky v potravinách E949 ako baliaci plyn.
Vlastnosti liečby
Vodík po zmiešaní so vzduchom vytvára výbušnú zmes – takzvaný detonačný plyn. Tento plyn je najvýbušnejší, keď je objemový pomer vodíka a kyslíka 2:1 alebo vodíka a vzduchu približne 2:5, pretože vzduch obsahuje približne 21 % kyslíka. Nebezpečenstvo požiaru predstavuje aj vodík. Kvapalný vodík môže pri kontakte s pokožkou spôsobiť vážne omrzliny.
Výbušné koncentrácie vodíka a kyslíka sa vyskytujú od 4 % do 96 % objemu. Pri zmiešaní so vzduchom od 4 % do 75 (74) % objemu.
Použitie vodíka
V chemickom priemysle sa vodík používa pri výrobe čpavku, mydla a plastov. V potravinárskom priemysle sa využíva vodík z kvapalín rastlinné oleje vyrobiť margarín. Vodík je veľmi ľahký a vždy stúpa vo vzduchu. Kedysi boli vzducholode a Balóny naplnené vodíkom. Ale v 30. rokoch. XX storočia Niekoľko strašných katastrof sa stalo, keď vzducholode explodovali a zhoreli. V súčasnosti sú vzducholode plnené héliom. Vodík sa používa aj ako raketové palivo. Raz môže byť vodík široko používaný ako palivo pre osobné a nákladné automobily. Vodíkové motory neznečisťujú životné prostredie a vypúšťajú iba vodnú paru (aj keď samotná výroba vodíka vedie k určitému znečisteniu životného prostredia). Naše Slnko je väčšinou tvorené vodíkom. Slnečné teplo a svetlo sú výsledkom uvoľňovania jadrovej energie z fúzie jadier vodíka.
Používanie vodíka ako paliva (nákladovo efektívne)
Najdôležitejšou charakteristikou látok používaných ako palivo je ich spalné teplo. Z priebehu všeobecnej chémie je známe, že k reakcii medzi vodíkom a kyslíkom dochádza pri uvoľňovaní tepla. Ak užijete 1 mol H2 (2 g) a 0,5 mol O2 (16 g) pri štandardné podmienky a vyvolať reakciu, potom podľa rovnice
H2 + 0,502 = H20
po ukončení reakcie vznikne 1 mol H 2 O (18 g) s uvoľnením energie 285,8 kJ/mol (pre porovnanie: spaľovacie teplo acetylénu je 1300 kJ/mol, propánu - 2200 kJ/mol) . 1 m³ vodíka váži 89,8 g (44,9 mol). Na výrobu 1 m³ vodíka sa teda spotrebuje 12832,4 kJ energie. Ak vezmeme do úvahy fakt, že 1 kWh = 3600 kJ, dostaneme 3,56 kWh elektriny. Keď poznáme tarifu za 1 kWh elektriny a náklady na 1 m³ plynu, môžeme konštatovať, že je vhodné prejsť na vodíkové palivo.
Napríklad experimentálny model Honda FCX 3. generácie so 156 litrovou vodíkovou nádržou (obsahuje 3,12 kg vodíka pod tlakom 25 MPa) prejde 355 km. V súlade s tým sa z 3,12 kg H2 získa 123,8 kWh. Na 100 km bude spotreba energie 36,97 kWh. Keď poznáme náklady na elektrinu, náklady na plyn alebo benzín a ich spotrebu na auto na 100 km, je ľahké vypočítať negatívny ekonomický efekt prechodu áut na vodíkové palivo. Povedzme (Rusko 2008), 10 centov za kWh elektriny vedie k tomu, že 1 m³ vodíka vedie k cene 35,6 centov, a ak vezmeme do úvahy účinnosť rozkladu vody 40-45 centov, rovnaké množstvo kWh zo spaľovania benzínu stojí 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 centov/l=34 centov v maloobchodných cenách, pričom pre vodík sme vypočítali ideálnu možnosť, bez zohľadnenia dopravy, amortizácie zariadení atď. Pre metán s spaľovacia energia asi 39 MJ na m³, výsledok bude dva až štyrikrát nižší v dôsledku rozdielu v cene (1 m³ pre Ukrajinu stojí 179 USD a pre Európu 350 USD). To znamená, že ekvivalentné množstvo metánu bude stáť 10-20 centov.
Netreba však zabúdať, že pri spaľovaní vodíka získame čistú vodu, z ktorej bol extrahovaný. To znamená, že máme obnoviteľné zdroje hromaditeľ energie bez poškodzovania životného prostredia, na rozdiel od plynu alebo benzínu, ktoré sú primárnymi zdrojmi energie.
Php na linke 377 Upozornenie: vyžaduje (http://www..php): nepodarilo sa otvoriť stream: v /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php na linke 377 sa nenašiel vhodný obal chyba: require(): Nepodarilo sa otvoriť, vyžaduje sa „http://www..php“ (include_path="..php v riadku 377
Vodík. Vlastnosti, výroba, použitie.Historický odkaz
Vodík je prvým prvkom PSHE D.I. Mendelejev.
Ruský názov pre vodík naznačuje, že „rodí vodu“; latinčina" vodík" znamená to isté.
Uvoľňovanie horľavého plynu pri interakcii určitých kovov s kyselinami prvýkrát pozoroval Robert Boyle a jeho súčasníci v prvej polovici 16. storočia.
Vodík však objavil až v roku 1766 anglický chemik Henry Cavendish, ktorý zistil, že keď kovy reagujú so zriedenými kyselinami, uvoľňuje sa určitý „horľavý vzduch“. Pozorovaním spaľovania vodíka vo vzduchu Cavendish zistil, že v dôsledku toho sa objavila voda. Bolo to v roku 1782.
V roku 1783 francúzsky chemik Antoine-Laurent Lavoisier izoloval vodík rozkladom vody horúcim železom. V roku 1789 sa rozkladom vody pod vplyvom elektrického prúdu uvoľnil vodík.
Prevalencia v prírode
Vodík je hlavným prvkom vesmíru. Napríklad Slnko tvorí 70 % svojej hmotnosti vodík. Vo vesmíre je niekoľko desiatok tisíc krát viac atómov vodíka ako všetkých atómov všetkých kovov dohromady.Zemská atmosféra tiež obsahuje určité množstvo vodíka vo forme jednoduchá látka– plyn zloženia H2. Vodík je oveľa ľahší ako vzduch, a preto sa nachádza v horných vrstvách atmosféry.
Na Zemi je však viazaného vodíka oveľa viac: napokon je súčasťou vody, najbežnejšej komplexnej látky na našej planéte. Vodík viazaný do molekúl obsahuje ropu aj zemný plyn, množstvo minerálov a skaly. Vodík je súčasťou všetkých organických látok.
Charakteristika prvku vodík.
Vodík má dvojakú povahu, z tohto dôvodu je v niektorých prípadoch vodík umiestnený v podskupine alkalických kovov a v iných - v podskupine halogénov.
Elektronická konfigurácia 1 s 1 . Atóm vodíka pozostáva z jedného protónu a jedného elektrónu.
Atóm vodíka je schopný stratiť elektrón a stať sa katiónom H + a v tomto je podobný alkalickým kovom.
Atóm vodíka môže tiež pridať elektrón, čím sa vytvorí anión H -, v tomto ohľade je vodík podobný halogénom.
Vždy monovalentné v zlúčeninách
CO: +1 a -1.
Fyzikálne vlastnosti vodíka
Vodík je plyn bez farby, chuti a zápachu. 14,5-krát ľahší ako vzduch. Mierne rozpustný vo vode. Má vysokú tepelnú vodivosť. Pri t= –253 °С skvapalňuje, pri t= –259 °С tvrdne. Molekuly vodíka sú také malé, že sú schopné pomaly difundovať cez mnohé materiály – gumu, sklo, kovy, čo sa používa na čistenie vodíka od iných plynov.Existujú 3 známe izotopy vodíka: - protium, - deutérium, - trícium. Hlavnou časťou prírodného vodíka je protium. Deutérium je súčasťou ťažkej vody, ktorá obohacuje povrchové vody oceánu. Trícium je rádioaktívny izotop.
Chemické vlastnosti vodíka
Vodík je nekov a má molekulárnu štruktúru. Molekula vodíka pozostáva z dvoch atómov spojených kovalentnou nepolárnou väzbou. Väzbová energia v molekule vodíka je 436 kJ/mol, čo vysvetľuje nízku chemickú aktivitu molekulárneho vodíka.
Interakcia s halogénmi. Pri bežných teplotách vodík reaguje iba s fluórom:
S chlórom - iba na svetle, za vzniku chlorovodíka; s brómom prebieha reakcia menej energicky; s jódom sa nedokončí ani pri vysokých teplotách.
Interakcia s kyslíkom - pri zahrievaní, po zapálení, reakcia prebieha výbuchom: 2H2 + O2 = 2H20.
Zmes 1 dielu kyslíka a 2 dielov vodíka je „výbušná zmes“ a je najvýbušnejšia.
Interakcia so sírou - pri zahrievaní H2+S = H2S.
Interakcia s dusíkom. Za tepla, vysokého tlaku a v prítomnosti katalyzátora:
Interakcia s oxidom dusnatým (II). Používa sa v čistiacich systémoch na výrobu kyseliny dusičnej: 2NO + 2H2 = N2 + 2H20.
Interakcia s oxidmi kovov. Vodík je dobré redukčné činidlo, redukuje mnohé kovy z ich oxidov: CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
Atómový vodík je silné redukčné činidlo. Vzniká z molekuly v elektrickom výboji za podmienok nízkeho tlaku. Má vysokú redukčnú aktivitu vodík v momente uvoľnenia vzniká pri redukcii kovu kyselinou.
Interakcia s aktívnymi kovmi . Pri vysokých teplotách sa spája s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín a vytvára biele kryštalické látky - hydridy kovov, vykazujúce vlastnosti oxidačného činidla: 2Na + H 2 = 2NaH;
Výroba vodíka
V laboratóriu:
Interakcia kovu so zriedenými roztokmi kyseliny sírovej a chlorovodíkovej,
Interakcia hliníka alebo kremíka s vodnými roztokmi zásad:
Si + 2NaOH + H20 = Na2Si03 + 2H2.
V priemysle:
Elektrolýza vodných roztokov chloridov sodných a draselných alebo elektrolýza vody v prítomnosti hydroxidov:
2H20 = 2H2+02.
Konverzná metóda. Najprv sa vodný plyn získa prechodom vodnej pary cez horúci koks s teplotou 1000 °C:
Potom sa oxid uhoľnatý (II) oxiduje na oxid uhoľnatý (IV) prechodom zmesi vodného plynu s prebytočnou vodnou parou cez katalyzátor Fe203 zahriaty na 400–450 °C:
CO + H20 = C02 + H2.
Vzniknutý oxid uhoľnatý (IV) je absorbovaný vodou a týmto spôsobom vzniká 50 % priemyselného vodíka.
Konverzia metánu: CH4 + H20 = CO + 3H2.
Tepelný rozklad metánu pri 1200 °C: CH4 = C + 2H2.
Hlboké chladenie (až na -196 °C) koksárenského plynu. Pri tejto teplote kondenzujú všetky plynné látky okrem vodíka.
Použitie vodíka je založené na jeho fyzikálnych a chemických vlastnostiach:
ako ľahký plyn sa používa na plnenie balónov (v zmesi s héliom);
kyslíkovo-vodíkový plameň sa používa na získanie vysokých teplôt pri zváraní kovov;
ako redukčné činidlo sa používa na získavanie kovov (molybdén, volfrám atď.) z ich oxidov;
na výrobu čpavku a umelého tekutého paliva, na hydrogenáciu tukov.
Chemické vlastnosti vodíka
Za normálnych podmienok je molekulárny vodík relatívne málo aktívny, priamo sa kombinuje len s najaktívnejšími nekovmi (s fluórom a na svetle s chlórom). Pri zahrievaní však reaguje s mnohými prvkami.
Vodík reaguje s jednoduchými a zložitými látkami:
- Interakcia vodíka s kovmi vedie k vzniku komplexné látky- hydridy, v ktorých chemických vzorcoch je atóm kovu vždy na prvom mieste:
Pri vysokej teplote reaguje vodík priamo s niektorými kovmi(alkalické, alkalické zeminy a iné), tvoriace biele kryštalické látky - hydridy kovov (Li H, Na H, KH, CaH 2 atď.):
H2 + 2Li = 2LiH
Hydridy kovov sa vodou ľahko rozložia za vzniku zodpovedajúcej alkálie a vodíka:
Ca H2 + 2H20 = Ca(OH)2 + 2H2
- Keď vodík interaguje s nekovmi vznikajú prchavé zlúčeniny vodíka. IN chemický vzorec prchavá zlúčenina vodíka, atóm vodíka môže byť buď na prvom alebo druhom mieste, v závislosti od jeho umiestnenia v PSCE (pozri štítok na snímke):1). S kyslíkom Vodík tvorí vodu:
Video "Spaľovanie vodíka"
2H2+02 = 2H20 + Q
Pri normálnych teplotách prebieha reakcia extrémne pomaly, nad 550°C - s výbuchom (tzv. zmes 2 objemov H2 a 1 objemu O2 výbušný plyn)
.
Video „Výbuch detonačného plynu“
Video „Príprava a výbuch výbušnej zmesi“
2). S halogénmi Vodík tvorí halogenovodík, napr.
H2 + Cl2 = 2 HCl
Vodík zároveň exploduje s fluórom (aj v tme a pri -252°C), s chlórom a brómom reaguje len pri osvetlení alebo zahriatí a s jódom iba pri zahriatí.
3). S dusíkom Vodík reaguje za vzniku amoniaku:
ZN2 + N2 = 2NH3
len na katalyzátore a pri zvýšených teplotách a tlakoch.
4). Pri zahrievaní vodík prudko reaguje so sírou:
H2+S = H2S (sírovodík),
oveľa ťažšie so selénom a telúrom.
5). S čistým uhlíkom Vodík môže reagovať bez katalyzátora iba pri vysokých teplotách:
2H2 + C (amorfný) = CH4 (metán)
- Vodík podlieha substitučnej reakcii s oxidmi kovov , v tomto prípade sa vo výrobkoch tvorí voda a kov sa redukuje. Vodík - má vlastnosti redukčného činidla:
Používa sa vodík na regeneráciu mnohých kovov, pretože odoberá kyslík z ich oxidov:
Fe304 + 4H2 = 3Fe + 4H20 atď.
Aplikácie vodíka
Video „Použitie vodíka“
V súčasnosti sa vodík vyrába v obrovských množstvách. Jeho veľká časť sa využíva pri syntéze amoniaku, hydrogenácii tukov a pri hydrogenácii uhlia, olejov a uhľovodíkov. Okrem toho sa vodík používa na syntézu kyseliny chlorovodíkovej, metylalkoholu, kyseliny kyanovodíkovej, pri zváraní a kovaní kovov, ako aj pri výrobe žiaroviek a drahých kameňov. Vodík sa predáva vo fľašiach pod tlakom nad 150 atm. Sú natreté tmavozelenou farbou a majú červený nápis „Hydrogen“.
Vodík sa používa na premenu tekutých tukov na tuhé tuky (hydrogenácia), pri výrobe kvapalného paliva hydrogenáciou uhlia a vykurovacieho oleja. V metalurgii sa vodík používa ako redukčné činidlo pre oxidy alebo chloridy na výrobu kovov a nekovov (germánium, kremík, gálium, zirkónium, hafnium, molybdén, volfrám atď.).
Praktické využitie vodíka je rôznorodé: zvyčajne sa používa na plnenie balónov sond, v chemickom priemysle slúži ako surovina na výrobu mnohých veľmi dôležitých produktov (čpavok a pod.), v potravinárskom priemysle - na výrobu tuhých tukov z rastlinných olejov a pod. Vysoká teplota (až 2600 °C), získaná spaľovaním vodíka v kyslíku, sa používa na tavenie žiaruvzdorných kovov, kremeňa a pod. Kvapalný vodík je jedným z najúčinnejších prúdových palív. Ročná celosvetová spotreba vodíka presahuje 1 milión ton.
SIMULÁTORY
č. 2. Vodík
ZADÁVACIE ÚLOHY
Úloha č.1Napíšte reakčné rovnice pre interakciu vodíka s nasledujúcimi látkami: F 2, Ca, Al 2 O 3, oxid ortuťnatý (II), oxid wolfrámu (VI). Pomenujte produkty reakcie, uveďte typy reakcií.
Úloha č.2
Vykonajte transformácie podľa schémy:
H20 -> H2 -> H2S -> SO2
Úloha č.3.
Vypočítajte hmotnosť vody, ktorú možno získať spálením 8 g vodíka?
