Zgodovina vodika, struktura, lastnosti in uporabe

On vodik To je kemični element, ki ga predstavlja simbol H. Njegov atom je najmanjši od vseh in to se začne periodična miza, ne glede na to, kje je nameščen. Sestavljen je iz brezbarvnega plina, sestavljenega iz diatomskih molekul H₂, in ne za izolirane atome H; Tako kot pri plemeniti plini, tudi med drugim.

Od vseh elementov je morda najbolj emblematičen in poudarjen, ne le zaradi njegovih lastnosti v kopenskih ali drastičnih pogojih, temveč zaradi neizmerne številčnosti in raznolikosti njegovih spojin. Vodik je plin, čeprav inerten v odsotnosti ognja, vnetljiv in nevaren; Medtem ko voda, h₂Ali pa je univerzalno topilo in življenje.

Rdeči jeklenki, ki se uporabljajo za shranjevanje vodika. Vir: Famatin [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/4.0)]

Vodik sam sam po sebi ne kaže nobene vidne posebnosti, ki bi jo bilo vredno občudovati, preprosto je plin, ki je shranjen v rdečih jeklenkah ali vozliščih. Vendar pa so njegove lastnosti in sposobnost povezave do vseh elementov, ki se vračajo v poseben vodik. In vse to, čeprav ima samo elektron iz Valencije.

Če vodik ni shranjen v njihovih jeklenkah, bi se izognil prostoru, medtem ko velik del reagira v vzponu. In četudi ima v zraku zelo nizko koncentracijo, ki ga dihamo, zunaj Zemlje in v preostalem vesolju, je najpogostejši element, ki je v zvezdah in upoštevamo svojo gradbeno enoto.

Po drugi strani pa predstavlja približno 10% celotne mase. Če želite vizualizirati, kaj to pomeni, je treba upoštevati, da je površina planeta praktično prekrita z oceani in da vodik najdemo v mineralih, v oljni olji in v kateri koli organski spojini, poleg tega pa je del vseh živih bitij.

Tako kot ogljik, tudi vse biomolekule (ogljikovi hidrati, beljakovine, encimi, DNK itd.) Imajo atome vodika. Zato je veliko virov, ki jih lahko izvlečejo ali proizvajajo; Vendar le redki predstavljajo resnično donosne proizvodne metode.

[TOC]

Zgodovina

Identifikacija in ime

Čeprav je bil leta 1671 Robert Boyle prvič priča plinu, ki se je oblikoval, ko so železne datoteke reagirali s kislinami, je bil leta 1766 britanski znanstvenik Henry Cavendish, ki ga je identificiral kot novo snov; "Vnetljiv zrak".

Cavendish je ugotovil, da je bila voda, ko je ta domnevni vnetski zrak zgorel. Na podlagi svojega dela in rezultatov je francoski kemik Antoine Lavoisier ta plin dal ime vodika leta 1783. Etimološko njen pomen izhaja iz grških besed "hidro" in "geni": vodni tvorba.

Elektroliza in gorivo

Kmalu zatem, leta 1800, sta ameriška znanstvenika William Nicholson in sir Anthony Carlisle odkrila, da se voda lahko razgradi v vodik in kisik; je našel vodno elektrolizo. Nato je švicarski kemik Christian Friedrich Schoenbein uvedel idejo, da bi izkoristil zgorevanje vodika za proizvodnjo električne energije.

Priljubljenost vodika je bila toliko, da jo je celo pisatelj Julio Verne v svoji knjigi označil za gorivo prihodnosti Skrivnostni otok (1874).

Izolacija

Leta 1899 je škotski kemik James Dewar prvi izoliral vodik kot utekočinjeni plin, saj je bil sam, ki bi ga lahko dovolj ohladil, da bi ga dobil v svoji trdni fazi.

Dva kanala

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

Elektronska struktura in konfiguracija

Diatomska molekula vodika. Vir: Benjah-BMM27 [javna domena]

Vodikovi atomi so zelo majhni in imajo komaj elektron, ki tvorijo kovalentne vezi. Ko se dva od teh atomov združita, povzročita diatomsko molekulo, h₂; To je plin molekularni vodik (nadrejena slika). Vsaka bela krogla ustreza posameznemu atomu H in globalni krogli molekularni orbitali.

Tako vodik resnično sestavlja molekule H₂ Zelo majhno, ki komunicirajo prek londonskih disperzijskih sil, saj nimajo dipolnega trenutka, da so homonuklearni. Zato so zelo "nemirni" in se hitro širijo v vesolju, saj ni močnih medmolekulskih sil, ki bi jih upočasnile.

Elektronska konfiguracija vodika je preprosto 1S¹. Ta orbital, 1s, je produkt ločljivosti znane Schrödingerjeve enačbe za hidrogenoidni atom. V h₂ Dve 1S orbitali se prekrivata tako, da tvorita dve molekularni orbitali: eno povezavo in drugo antienlace, v skladu z molekularno orbitalno teorijo (Tom).

Te orbitale omogočajo ali pojasnjujejo obstoj H ionov₂⁺ ali h₂^-; Vendar je kemija vodika v normalnih pogojih opredeljena s H₂ ali ioni h⁺ ali h^-.

Oksidacijske številke

Iz elektronske konfiguracije za vodik, 1s¹, Zelo enostavno je napovedati njegove možne oksidacijske številke; Seveda v mislih, da orbitalni 2s večje energije ni na voljo za kemične povezave. Tako ima v bazalnem stanju vodik oksidacijsko število 0, h⁰.

Lahko vam služi: nikelj hidroksid (ii): struktura, lastnosti, uporabe, tveganja

Če izgubite edini elektron, je orbital 1S prazna in kation ali vodikov ion nastane, h⁺, velike mobilnosti v skoraj vsakem tekočem mediju; še posebej voda. V tem primeru je njegova oksidacijska številka +1.

In kajti, ko se zgodi nasprotno, to je, če bo osvojil elektron, bo orbital zdaj imel dva elektrona in bo 1S². Potem je oksidacijska številka -1 in ustreza hidridnemu anionu, h^-. Omeniti velja, da h^- Je izolektronski do plemeniti helijev plin, on; to pomeni, da imata obe vrsti enako število elektronov.

Če povzamemo, so številke oksidacije vodika: +1, 0 in -1 in H molekula₂ šteje, kot da imata dva atoma vodika H⁰.

Faze

Najljubša faza vodika, vsaj v zemeljskih pogojih, je soda zaradi prej navedenih razlogov. Ko pa se temperature znižajo v vrstnem redu -200 ° C ali če se tlak poveča na stotine tisočkrat kot atmosfersko, se lahko vodik kondenzira ali kristalizira v tekoči ali trdni fazi.

V teh pogojih molekule h₂ Lahko se poravnajo z različnimi načini za določitev strukturnih vzorcev. Londonske disperzijske sile zdaj postanejo zelo usmerjene in se zato pojavljajo geometrije ali simetrije, ki jih sprejmejo vrstniki₂.

Na primer dva hsse h₂, Je kot pisanje (h₂)₂ Določite simetričen ali asimetrični kvadrat. Medtem trije pari h₂, ali (h₂)₃ Definirajo šesterokotnik, zelo podobni tistim iz ogljika v grafitnih kristalih. Pravzaprav je ta šesterokotna faza glavna ali najbolj stabilna za trden vodik.

Kaj pa, če bi bila trdna snov sestavljena iz molekul, ampak iz H? Potem bi se ukvarjali s kovinskim vodikom. Ti H atomi, ki se spominjajo belih sfer, lahko določijo tako tekočo fazo kot kovinsko trdno snov.

Lastnosti

Fizični videz

Vodik je brezbarven, brez vonja in brez okusa. Če pride do puščanja, predstavlja tveganje za eksplozijo.

Vrelišče

-253 ° C.

Tališče

-259 ° C.

Točka vžiga in stabilnost

Praktično eksplodira pri kateri koli temperaturi, če je v bližini plina vir iskre ali toplote, celo sončna svetloba lahko sproži vodik. Vendar je, dokler je dobro shranjen, malo 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 netopna.

Parni tlak

1,24 · 10⁶ mmhg pri 25 ° C. Ta vrednost daje predstavo o tem, kako zaprti morajo biti vodikove jeklenke, da preprečijo, da bi plin pobegnil.

Temperatura samostojnosti

560VºC.

Elektronegativnost

2.20 na lestvici Pauling.

Toplota zgorevanja

-285,8 kJ/mol.

Toplota za uparjanje

0,90 kJ/mol.

Fuzijska toplota

0,117 kJ/mol.

Izotopi

"Normalni" vodikov atom je Protio, ¹H, ki predstavlja približno 99,985% vodika. Druga dva izotopa za ta element sta devterij, ²H, in tritij, ³H. Te se razlikujejo po številu nevtronov; Devterij ima nevtron, medtem ko ima Tritio dva.

Izomeri bodice

Obstajata dve vrsti molekularnega vodika, h₂: Ortho in za. V prvem sta dva vrtljaja (protona) H atomov usmerjena v isto smer (sta vzporedna); Medtem ko sta v drugem, sta dva vrtljaja v nasprotnih smereh (sta protiparalna).

Hydrogen-for je najbolj stabilen od obeh izomerjev; Toda s povečanjem temperature Orto razmerje: postati 3: 1, kar pomeni, da nad drugim prevladuje izomer vodikovega organa. Pri zelo nizkih temperaturah (oddaljeno blizu absolutne ničle, 20k), čisti vodik.

Nomenklatura

Nomenklatura, ki se nanaša na vodik, je ena najpreprostejših; Čeprav to ni enako za njihove anorganske ali organske spojine. H₂ Lahko ga pokličemo z naslednjimi imeni poleg "vodika":

-Molekularni vodik

-Dihidrogen

-Diatomska molekula vodika.

Za ion h⁺ Njihova imena so proton ali vodikov ion; In če je v vodnem mediju, h₃Tudi⁺, Hidronijev kation. Medtem ko ion h^- To je hidridni anion.

Atom vodika

Atom vodika, predstavljen s planetarnim modelom Bohra. Vir: Pixabay.

Atom vodika je najpreprostejši od vseh in je običajno predstavljen kot na vrhunski sliki: jedro s protonom osamljenim (za ¹H), obkrožen z elektronom, ki nariše orbito. Na tem atomu so bile zgrajene in ocenjene vse atomske orbitale za druge elemente periodične tabele.

Bolj zvesta zastopanost trenutnemu razumevanju atomov bi bila sfera, katere obod je opredeljen z elektronskim in verjetnostnim oblakom elektrona (njegov 1s orbital).

Vam lahko služi: toplotna: struktura, značilnosti, tvorba, primeri

Kje je in proizvodnja

Zvezdno polje: neizčrpen vir vodika. Vir: Pixabay.

Vodik je, čeprav je morda v manjši meri v primerjavi z ogljikom, kemični element, ki ga lahko rečemo brez dvoma, ki je povsod; V zraku, poleg vode, ki napolni morja, oceane in naša telesa, v naftni surovi in ​​minerali, pa tudi v organskih spojinah, ki so sestavljene tako.

Dovolj je, da površno pogledamo katero koli sestavljeno knjigarno, da najdete atome vodika v njih.

Vprašanje je ne toliko, koliko, ampak kako je prisotno. Na primer molekula M₂ Tako nestanovitna in reaktivna je pod pojavom sončnih žarkov, kar je v atmosferi zelo malo; Zato reagira, da se pridruži drugim elementom in s tem pridobi stabilnost.

Medtem ko je zgoraj, v kozmosu, je vodik pretežno kot nevtralni atomi, h.

Dejansko se v svoji kovinski in kondenzirani fazi šteje za vodik, kot je Star Construction Enota. Kadar jih obstajajo neizmerne količine in zaradi svoje robustnosti in kolosalnih dimenzij naredijo ta element najpogostejši v celotnem vesolju. Ocenjuje se, da 75% znane snovi ustreza atomom vodika.

Naravno

Zberite atome ohlapnih vodikov v prostoru, ki se ne spreminjajo in jih izvlečejo iz sončnih perifer ali nejasne, nedosegljive. Na zemlji, kjer njegovi pogoji prisilijo ta element, da obstaja kot h₂, Pojavi se lahko skozi naravne ali geološke procese.

Na primer, vodik ima svoj naravni cikel, v katerem lahko nekatere bakterije, mikrobe in alge ustvarijo s pomočjo fotokemičnih reakcij. Eskalacija naravnih procesov in vzporednic z njimi vključuje uporabo bioreaktorjev, kjer se bakterije prehranjujejo z ogljikovodiki, da sprostijo vodik, ki ga vsebuje.

Živa bitja so tudi proizvajalci vodika, vendar v manjši meri. Če je tako, ni bilo mogoče razložiti, kako je ena od plinastih komponent nadušnosti; ki so pretirano pokazali, da so vnetljivi.

Končno je treba omeniti, da lahko v anaerobnih pogojih (brez kisika), na primer v podzemnih plasteh, minerali počasi reagirajo z vodo, da proizvajajo vodik. Fayelita reakcija to dokazuje:

3fe₂Sio₄ + 2 h₂O → 2 Vera₃Tudi₄ + 3 SiO₂ + 3 h₂

Industrijsko

Medtem ko je biohidrogen alternativa za ustvarjanje tega plina na industrijskih lestvicah, so najbolj uporabljene metode praktično "odvzeti" vodik na spojine, ki ga vsebujejo, tako da se njihovi atomi združijo in tvorijo H H₂.

Najmanj okoljske metode za njegovo proizvodnjo so sestavljene iz reakcije koksa (ali oglja) s pregreto vodno paro:

C (s) + h₂O (g) → co (g) + h₂(g)

Prav tako se v ta namen uporablja zemeljski plin:

Pogl₄(g) + h₂O (g) → co (g) + 3h₂(g)

In ker so količine koksa ali zemeljskega plina velike, je donosno proizvajati vodik z katero koli od teh dveh reakcij.

Druga metoda za pridobitev vodika je uporaba električnega udarca na vodo, da jo razgradi v svojih osnovnih delih (elektroliza):

2 h₂Ali (l) → 2 h₂(g) + oz₂(g)

V laboratoriju

V katerem koli laboratoriju lahko molekularni vodik pripravimo v majhnih količinah. Če želite to narediti, je treba aktivno kovino reagirati z močno kislino, bodisi v čaši bodisi v epruveti. Opazljivi mehurček je jasen znak tvorbe vodika, ki ga predstavlja naslednja splošna enačba:

M (s) + nh⁺(Ac) → mⁿ⁺(Ac) + h₂(g)

Kjer je n kovinska valencia. Tako na primer magnezij reagira s h⁺ Za proizvodnjo h₂:

Mg (s) + 2h⁺(Ac) → mg²⁺(Ac) + h₂(g)

Reakcije

Rédox

Oksidacijske številke sami ponujajo prvi pristop k sodelovanju vodika v kemičnih reakcijah. H₂ Ko reagira, lahko ostane nespremenjen ali razdeli na H ione⁺ ali h^- Odvisno od tega, katere vrste povezuje; Če so bolj ali manj elektronegativni od njega.

H₂ Je malo reaktiven zaradi moči kovalentne vezi, H-H; Vendar to ni absolutna ovira za reakcijo in oblikovanje spojin s skoraj vsemi elementi periodične tabele.

Njegova najbolj znana reakcija je z reakcijo kisika za proizvodnjo vodnih hlapov:

H₂(g) + oz₂(g) → 2H₂O (g)

In takšna naklonjenost kisiku je, da tvori stabilno molekulo vode, ki lahko z njo celo reagira kot anion oz^2- V določenih kovinskih oksidih:

H₂(g) + cuo (s) → cu (s) + h₂Ali (l)

Tudi srebrni oksid reagira ali "zmanjša" z isto reakcijo:

H₂(g) + avg (s) → ag (s) + h₂Ali (l)

Te vodikove reakcije ustrezajo reakcijam Rédox. To pomeni, da je oksidacija zmanjšanja. Vodik oksidira tako v prisotnosti kisika in kovinskih oksidov manj reaktivnih kovin kot on; Na primer, baker, srebro, volframo, živo srebro in zlato.

Absorpcija

Nekatere kovine lahko absorbirajo plinasti vodik, da tvorijo kovinske hidrorce, ki veljajo za zlitine. Na primer, prehodne kovine, kot je paladij, absorbirajo zloglasne količine H_2, podobno kot kovinske gobice.

Vam lahko služi: neodimij: struktura, lastnosti, uporabe

Enako se zgodi z bolj zapletenimi kovinskimi zlitinami. Na ta način lahko vodik poleg svojih jeklenk shranimo z drugimi sredstvi.

Dodatek

Organske molekule lahko tudi "absorbirajo" vodik z molekularnimi mehanizmi in/ali različnimi interakcijami.

Za kovine, h molekule₂ Obkroženi so s kovinskimi atomi znotraj svojih kristalov; Medtem ko je v organskih molekulah, se vez H-H poruši, da tvori druge kovalentne vezi. V bolj formaliziranem smislu: vodik se ne absorbira, ampak se doda strukturi.

Klasičen primer je dodatek h₂ Dvojno ali trojno povezavo alkenov oziroma alkinov:

C = C + H₂  → H-C-C-H

C≡C + H₂ → hc = ch

Te reakcije imajo tudi ime hidrogenacije.

Hydros tvorba

Vodik reagira neposredno na elemente, da tvori družino kemičnih spojin, imenovanih Hydros. V glavnem obstajata dve vrsti: salinos in molekularna.

Obstajajo tudi kovinski hidrorji, ki so sestavljeni iz kovinskih zlitin, ki so že omenjene, ko te kovine absorbirajo plinasti vodik; in polimerni, z omrežji ali verigami E-H vezi, kjer označuje kemični element.

Salinos

V slanih hidrorjih vodik sodeluje v ionski vezi, kot je hidrid anion, h^-. Da se to oblikuje, mora biti element nujno manj elektronegativen; V nasprotnem primeru se ne bi odrekel elektronom v vodik.

Zato se fiziološki hidros tvorijo le, ko vodik reagira z zelo elektropozitivnimi kovinami, kot so alkalne in alkaline.

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

2na (s) + h₂(g) → 2nah (s)

Ali z barijem za proizvodnjo barijev hidrid:

Ba (s) + h₂(g) → bah₂(S)

Molekularna

Molekularni hidridi so še bolj znani kot ionski. Prejmejo tudi ime vodikovega halogenurosa, HX, ko vodik reagira s halogenom:

Cl₂(g) + h₂(g) → 2HCl (g)

Tu vodik sodeluje v kovalentni vezi kot h⁺; Ker razlike med elektronegativnosti med obema atomima niso zelo velike.

Isto vodo lahko štejemo za kisikovega hidrida (ali vodikovega oksida), katerega reakcija tvorbe je bila že izpostavljena. Zelo podobna je reakcija z žveplom, da daje vodikov sulfid, smrdeč plin:

S (s) + h₂(g) → h₂S (g)

Toda od vseh molekulskih hidrorjev je najbolj znan (in morda najtežji za sintetiziranje) amonijak:

N₂(g) + 3h₂(g) → 2nh₃(g)

Prijave

V prejšnjem razdelku je bila ena glavna uporaba vodika že obravnavana: kot surovina za razvoj sinteze, anorganskega ali organskega. Nadzor tega plina ima običajno drug namen, kot da reagira, da ustvari druge spojine, ki se razlikujejo od tistih, ki so bili izvlečeni.

Surovina

- To je eden od reagentov za sintezo amoniaka, ki ima neskončne industrijske aplikacije, začenši z izdelavo gnojil, dokler ni material za dušilna zdravila.

- Namenjen je reagiranju z ogljikovim monoksidom in tako proizvajal metanol, reagent, ki ima veliko biogoriv.

Zmanjšanje sredstva

- Gre za redukcijsko sredstvo nekaterih kovinskih oksidov, zato se uporablja pri metalurškem 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 "hidrotratar" naftne surove nafte v postopkih rafiniranja.

Na primer, prizadeva, da bi v majhnih molekulah razdelili velike in težke molekule in z večjim povpraševanjem na trgu (Hydrocracheus); sproščanje kovin, ujete v kletkah petroporfirina (hidrodesmetalizacija); Odpravite atome žvepla kot h₂S (hidrodesulfurizacija); ali zmanjšajte dvojne povezave, da ustvarite bogate mešanice v parafinih.

Gorivo

Sam vodik je odlično gorivo za rakete ali vesoljsko plovilo, saj majhne količine IT reagirajo s kisikom, sproščajo ogromne količine toplote ali energije.

V manjšem obsegu se ta reakcija uporablja za oblikovanje celic ali vodikovih baterij. Vendar se te celice soočajo s težavami, da tega plina ne morejo pravilno shraniti; in izziv popolnoma neodvisnega od gorenja fosilnih goriv.

Na pozitivni strani, ki se uporablja kot gorivo, vodik sprošča samo vodo; Namesto plinov, ki predstavljajo onesnaževanje za ozračje in ekosisteme.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). MC Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui in Yanming MA. (s.F.). Strukture sobne temperature trdnega vodika pri visokih tlakih. Državni ključni laboratorij Superhard Materials, Jilin University, Changchun 130012, Kitajska.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Tekoči kovinski vodik: gradnik za tekoče sonce. Oddelek za radiologijo, Državna univerza Ohio, 395 W. 12. Ave, Columbus, Ohio 43210, ZDA.
4. Bodnerjeva skupina. (s.F.). Kemija vodika. Pridobljeno od: chemed.Kem.Purdue.Edu
5. Wikipedija. (2019). Vodik. Pridobljeno iz: v.Wikipedija.org
6. Vodiška Evropa. (2017). Aplikacije vodika. Okrevano od: hidrogeneuropa.EU
7. Foist Laura. (2019). Vodik: lastnosti in pojav. Študij. Okrevano od: študij.com
8. Jonas James. (4. januar 2009). Zgodovina vodika. Pridobljeno iz: alteningymag.com