Charakterizace s-prvků

Blok s-prvků zahrnuje 13 prvků, kterým je společné nahromadění v jejich atomech s-podúrovně vnější energetické hladiny.

Přestože jsou vodík a helium klasifikovány jako s-prvky kvůli specifické povaze jejich vlastností, je třeba je posuzovat samostatně. Vodík, sodík, draslík, hořčík, vápník jsou životně důležité prvky.

Sloučeniny s-prvků vykazují společné vzorce ve vlastnostech, což se vysvětluje podobností elektronická struktura jejich atomy. Všechny vnější elektrony jsou valenční a podílejí se na tvorbě chemických vazeb. Proto je maximální oxidační stav těchto prvků ve sloučeninách číslo elektronů ve vnější vrstvě a podle toho se rovná počtu skupiny, ve které se tento prvek nachází. Oxidační stav kovů s-prvku je vždy kladný. Dalším znakem je, že po oddělení elektronů vnější vrstvy zůstává iont s obalem vzácného plynu. S rostoucím pořadovým číslem prvku, atomovým poloměrem, klesá ionizační energie (z 5,39 eV y Li na 3,83 eV y Fr) a roste redukční aktivita prvků.

Naprostá většina sloučenin s-prvků je bezbarvá (na rozdíl od sloučenin d-prvků), jelikož je vyloučen přechod d-elektronů z nízkoenergetických hladin do vyšších energetických hladin, které způsobují zbarvení.

Sloučeniny prvků skupin IA - IIA jsou typické soli, ve vodném roztoku téměř úplně disociují na ionty a nepodléhají kationtové hydrolýze (kromě solí Be 2+ a Mg 2+).

iontově kovalentní hydrid vodíku

Pro ionty s-prvků není typická tvorba komplexů. Krystalické komplexy s - prvků s ligandy H 2 O-krystalické hydráty jsou známy již od starověku, např.: Na 2 B 4 O 7 10H 2 O-borax, KАl (SO 4) 2 12H 2 O-alum. Molekuly vody v krystalických hydrátech jsou seskupeny kolem kationtu, ale někdy zcela obklopují anion. Vzhledem k malému náboji iontu a velkému poloměru iontu jsou alkalické kovy nejméně náchylné k tvorbě komplexů, včetně akvakomplexů. jako komplexotvorná činidla komplexní sloučeniny ionty lithia, berylia, hořčíku působí jako nízká stabilita.

Vodík. Chemické vlastnosti vodíku

Vodík je nejlehčí s-prvek. Jeho elektronická konfigurace v základním stavu je 1S 1 . Atom vodíku se skládá z jednoho protonu a jednoho elektronu. Zvláštností vodíku je, že jeho valenční elektron je přímo ve sféře působení atomové jádro. Vodík nemá mezilehlou elektronovou vrstvu, takže vodík nelze považovat za elektronický analog alkalických kovů.

Stejně jako alkalické kovy je vodík redukčním činidlem a vykazuje oxidační stav + 1. Spektra vodíku jsou podobná spektru alkalických kovů. Tak alkalických kovů vodíku přibližuje jeho schopnost poskytovat v roztocích hydratovaný kladně nabitý iont H +.

Stejně jako halogenu chybí atom vodíku jeden elektron. To je důvodem existence hydridového iontu H-.

Kromě toho, stejně jako atomy halogenů, se atomy vodíku vyznačují vysokou ionizační energií (1312 kJ/mol). Vodík tedy zaujímá zvláštní postavení v periodické tabulce prvků.

Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru a představuje až polovinu hmotnosti Slunce a většiny hvězd.

Na slunci a dalších planetách je vodík v atomárním stavu, v mezihvězdném prostředí ve formě částečně ionizovaných dvouatomových molekul.

Vodík má tři izotopy; protium 1 H, deuterium 2 D a tritium 3 T, přičemž tritium je radioaktivní izotop.

Molekuly vodíku se vyznačují vysokou pevností a nízkou polarizací, malou velikostí a nízkou hmotností a mají vysokou pohyblivost. Vodík má proto velmi nízké teploty tání (-259,2 o C) a teploty varu (-252,8 o C). Kvůli vysoká energie disociace (436 kJ / mol) k rozkladu molekul na atomy dochází při teplotách nad 2000 ° C. Vodík je bezbarvý plyn, bez zápachu a chuti. Má nízkou hustotu - 8,99·10 -5 g/cm Při velmi vysokých tlacích přechází vodík do kovového stavu. Předpokládá se, že na vzdálených planetách Sluneční Soustava- Jupiter a Saturn, vodík je v kovovém stavu. Existuje předpoklad, že složení zemského jádra zahrnuje i kovový vodík, kde je při supervysokém tlaku vytvářeném zemským pláštěm.

Chemické vlastnosti. Při pokojové teplotě reaguje molekulární vodík pouze s fluorem, při ozáření světlem - s chlorem a bromem, při zahřívání s O 2, S, Se, N 2, C, I 2.

Reakce vodíku s kyslíkem a halogeny probíhají radikálovým mechanismem.

Interakce s chlórem je příkladem nerozvětvené reakce při ozáření světlem (fotochemická aktivace), při zahřátí (tepelná aktivace).

Cl + H 2 \u003d HCl + H (rozvoj řetězce)

H + Cl2 \u003d HCl + Cl

Exploze výbušného plynu - směsi vodíku a kyslíku - je příkladem procesu s rozvětveným řetězcem, kdy iniciovaný řetězec nezahrnuje jednu, ale několik fází:

H2 + O2 \u003d 2OH

H + O2 \u003d OH + O

O + H2 \u003d OH + H

OH + H2 \u003d H20 + H

Výbušnému procesu se lze vyhnout prací s čistým vodíkem.

Protože vodík je charakterizován pozitivním (+1) a negativním (-1) oxidačním stavem, může vodík vykazovat jak redukční, tak oxidační vlastnosti.

Regenerační vlastnosti vodík se projevují při interakci s nekovy:

H2 (g) + Cl2 (g) \u003d 2HCl (g),

2H2 (g) + O2 (g) \u003d 2H20 (g),

Tyto reakce probíhají za uvolnění velkého množství tepla, což ukazuje na vysokou energii (pevnost) vazeb H-Cl, H-O. Proto vodík vykazuje redukční vlastnosti s ohledem na mnoho oxidů, halogenidů, například:

To je základem pro použití vodíku jako redukčního činidla pro získávání jednoduchých látek z halogenidových oxidů.

Ještě silnějším redukčním činidlem je atomární vodík. Vzniká z molekul v elektronovém výboji za podmínek nízkého tlaku.

Vodík má vysokou redukční aktivitu v okamžiku uvolnění při interakci kovu s kyselinou. Takový vodík redukuje CrCl3 na CrCl2:

2CrCl3 + 2HCl + 2Zn = 2CrCl2 + 2ZnCl2 + H2 ^

Důležitá je interakce vodíku s oxidem dusnatým (II):

2NO + 2H2 = N2 + H20

Používá se v čistících systémech při výrobě kyseliny dusičné.

Jako oxidační činidlo vodík interaguje s aktivními kovy:

V tomto případě se vodík chová jako halogen a tvoří podobné halogenidy hydridy.

Hydridy s-prvků skupiny I mají iontovou strukturu typu NaCl. Chemicky se iontové hydridy chovají jako bazické sloučeniny.

Mezi kovalentní patří hydridy nekovových prvků méně elektronegativní než samotný vodík, například hydridy o složení SiH 4, BH 3, CH 4. Podle chemické povahy Nekovové hydridy jsou kyselé sloučeniny.

Charakteristickým znakem hydrolýzy hydridů je uvolňování vodíku, reakce probíhá podle redoxního mechanismu.

Bazický hydrid

hydrid kyseliny

V důsledku uvolňování vodíku probíhá hydrolýza zcela a nevratně (?Н<0, ?S>0). V tomto případě bazické hydridy tvoří alkálie a kyselé kyseliny.

Standardní potenciál systému je B. Proto je iont H silným redukčním činidlem.

V laboratoři se vodík získává reakcí zinku s 20% kyselinou sírovou v Kippově aparatuře.

Technický zinek často obsahuje drobné příměsi arsenu a antimonu, které jsou vodíkem redukovány v době uvolnění do toxických plynů: arsin SbH 3 a stabyn SbH Takový vodík může být jedovatý. U chemicky čistého zinku probíhá reakce vlivem přepětí pomalu a nelze získat dobrý proud vodíku. Rychlost této reakce se zvyšuje přidáním krystalů síranu měďnatého, reakce se urychluje vytvořením galvanického páru Cu-Zn.

Více čistého vodíku vzniká působením alkálie na křemík nebo hliník při zahřátí:

V průmyslu se čistý vodík získává elektrolýzou vody obsahující elektrolyty (Na 2 SO 4, Ba (OH) 2).

Při elektrolýze vzniká jako vedlejší produkt velké množství vodíku vodný roztok chlorid sodný s diafragmou oddělující katodový a anodový prostor,

Největší množství vodíku se získává zplyňováním pevného paliva (antracitu) přehřátou párou:

Nebo přeměna zemního plynu (methanu) přehřátou párou:

Vzniklá směs (syntézní plyn) se používá při výrobě mnoha organické sloučeniny. Výtěžek vodíku může být zvýšen průchodem syntézního plynu přes katalyzátor, zatímco CO se přemění na CO2.

Aplikace. Při syntéze amoniaku se spotřebuje velké množství vodíku. pro výrobu chlorovodíku a kyseliny chlorovodíkové, pro hydrogenaci rostlinných tuků, pro získávání kovů (Mo, W, Fe) z oxidů. Vodíkovo-kyslíkové plameny se používají ke svařování, řezání a tavení kovů.

Jako raketové palivo se používá kapalný vodík. Vodíkové palivo je přátelský k životnímu prostředí a je energeticky náročnější než benzín, takže může v budoucnu nahradit ropné produkty. Na světě už jezdí několik stovek aut na vodík. Problémy vodíkové energie jsou spojeny se skladováním a přepravou vodíku. Vodík je skladován v podzemních tankerech v kapalném stavu pod tlakem 100 atm. Lodní doprava velké množství kapalný vodík představuje vážné nebezpečí.

Pojďme se podívat na to, co je vodík. Chemické vlastnosti a výroba tohoto nekovu se studují v předmětu anorganická chemie ve škole. Právě tento prvek vede periodický systém Mendělejeva, a proto si zaslouží podrobný popis.

Stručné informace o otevření prvku

Než se zamyslíme nad fyzikálními a chemickými vlastnostmi vodíku, pojďme zjistit, jak byl tento důležitý prvek nalezen.

Chemici, kteří pracovali v šestnáctém a sedmnáctém století, ve svých spisech opakovaně zmiňovali hořlavý plyn, který se uvolňuje, když jsou kyseliny vystaveny aktivním kovům. V druhé polovině 18. století se G. Cavendishovi podařilo tento plyn shromáždit a analyzovat a dal mu název „hořlavý plyn“.

Fyzikální a chemické vlastnosti vodíku v té době nebyly studovány. Teprve na konci 18. století se A. Lavoisierovi podařilo rozborem zjistit, že tento plyn lze získat rozborem vody. O něco později začal nový prvek nazývat vodík, což znamená „zrodit vodu“. Vodík vděčí za své moderní ruské jméno M. F. Solovjovovi.

Být v přírodě

Chemické vlastnosti vodíku lze analyzovat pouze na základě jeho hojnosti v přírodě. Tento prvek je přítomen v hydro- a litosféře a je také součástí nerostů: přírodní a související plyn, rašelina, ropa, uhlí, roponosné břidlice. Je těžké si představit dospělého člověka, který by nevěděl, že vodík je nedílnou součástí vody.

Kromě toho se tento nekov nachází v živočišných organismech ve formě nukleové kyseliny, bílkoviny, sacharidy, tuky. Na naší planetě se tento prvek ve volné formě vyskytuje poměrně zřídka, snad jen v přírodním a sopečném plynu.

Ve formě plazmatu tvoří vodík asi polovinu hmotnosti hvězd a Slunce a je také součástí mezihvězdného plynu. Například ve volné formě, stejně jako ve formě metanu, čpavku, je tento nekov přítomen v kometách a dokonce i na některých planetách.

Fyzikální vlastnosti

Před zvážením chemických vlastností vodíku si všimneme, že při normální podmínky je to plynná látka lehčí než vzduch, která má několik izotopových forem. Je téměř nerozpustný ve vodě a má vysokou tepelnou vodivost. Protium, které má hmotnostní číslo 1, je považováno za jeho nejlehčí formu. Tritium, které má radioaktivní vlastnosti, se v přírodě tvoří z atmosférického dusíku, když jej neurony vystaví UV záření.

Vlastnosti struktury molekuly

Abychom zvážili chemické vlastnosti vodíku, reakce pro něj charakteristické, zastavme se u vlastností jeho struktury. Tato dvouatomová molekula má kovalentní nepolární chemickou vazbu. Tvorba atomárního vodíku je možná, když aktivní kovy interagují s roztoky kyselin. Ale v této podobě je tento nekov schopen existovat jen nepatrnou dobu, téměř okamžitě se rekombinuje do molekulární formy.

Chemické vlastnosti

Zvažte chemické vlastnosti vodíku. Ve většině sloučenin, které tento chemický prvek tvoří, vykazuje oxidační stav +1, díky čemuž je podobný aktivním (alkalickým) kovům. Hlavní chemické vlastnosti vodíku, charakterizující jej jako kov:

• interakce s kyslíkem za vzniku vody;
• reakce s halogeny, doprovázená tvorbou halogenovodíku;
• produkce sirovodíku v kombinaci se sírou.

Níže je reakční rovnice, která charakterizuje chemické vlastnosti vodíku. Upozorňujeme na skutečnost, že jako nekov (s oxidačním stavem -1) působí pouze v reakci s aktivními kovy a tvoří s nimi odpovídající hydridy.

Vodík při běžné teplotě aktivně neinteraguje s jinými látkami, takže většina reakcí se provádí až po předehřátí.

Zastavme se podrobněji u některých chemických interakcí prvku, který stojí v čele periodické tabulky chemické prvky Mendělejev.

Reakce tvorby vody je doprovázena uvolněním 285,937 kJ energie. Při zvýšených teplotách (více než 550 stupňů Celsia) je tento proces doprovázen silnou explozí.

Mezi těmi chemické vlastnosti plynný vodík, které našly významné uplatnění v průmyslu, je zajímavá jeho interakce s oxidy kovů. Právě katalytickou hydrogenací v moderním průmyslu se oxidy kovů zpracovávají, například čistý kov se izoluje ze železných okují (smíšený oxid železa). Tato metoda umožňuje efektivní zpracování kovového odpadu.

Syntéza amoniaku, která zahrnuje interakci vodíku se vzdušným dusíkem, je také žádaná v moderním chemickém průmyslu. Mezi podmínky pro vznik této chemické interakce zaznamenáváme tlak a teplotu.

Závěr

Vodík je nejméně aktivní chemikálie normální podmínky. Se stoupající teplotou se výrazně zvyšuje jeho aktivita. Tato látka je žádaná v organické syntéze. Například hydrogenací mohou být ketony redukovány na sekundární alkoholy a aldehydy mohou být převedeny na primární alkoholy. Kromě toho lze hydrogenací převést nenasycené uhlovodíky třídy ethylenu a acetylenu na nasycené sloučeniny methanové řady. Vodík je právem považován za jednoduchou látku žádanou v moderní chemické výrobě.

• Označení - H (vodík);
• Latinský název - Hydrogenium;
• Období - I;
• skupina - 1 (la);
• Atomová hmotnost - 1,00794;
• Atomové číslo - 1;
• Poloměr atomu = 53 pm;
• Kovalentní poloměr = 32 pm;
• Rozdělení elektronů - 1s 1;
• teplota tání = -259,14 °C;
• bod varu = -252,87 °C;
• Elektronegativita (podle Paulinga / podle Alpreda a Rochova) \u003d 2,02 / -;
• Oxidační stav: +1; 0; -1;
• Hustota (n.a.) \u003d 0,0000899 g/cm3;
• Molární objem = 14,1 cm 3 / mol.

Binární sloučeniny vodíku s kyslíkem:

Vodík ("zrození vody") objevil anglický vědec G. Cavendish v roce 1766. Jedná se o nejjednodušší prvek v přírodě - atom vodíku má jádro a jeden elektron, pravděpodobně z tohoto důvodu je vodík nejběžnějším prvkem ve vesmíru (více než polovina hmotnosti většiny hvězd).

O vodíku můžeme říci, že "cívka je malá, ale drahá." Navzdory své "jednoduchosti" dává vodík energii všem živým bytostem na Zemi - existuje spojitá termonukleární reakce při kterém ze čtyř atomů vodíku vzniká jeden atom helia, je tento proces doprovázen uvolněním kolosálního množství energie (podrobněji viz Jaderná fúze).

V zemská kůra hmotnostní zlomek vodíku je pouze 0,15 %. Mezitím drtivá většina (95 %) všech známých na Zemi chemické substance obsahují jeden nebo více atomů vodíku.

Ve sloučeninách s nekovy (HCl, H 2 O, CH 4 ...) odevzdává vodík svůj jediný elektron více elektronegativním prvkům, vykazuje oxidační stav +1 (častěji), tvoří pouze kovalentní vazby(viz Kovalentní vazba).

Ve sloučeninách s kovy (NaH, CaH 2 ...) naopak vodík přijme svůj jediný s-orbital o jeden elektron více, čímž se snaží doplnit svou elektronovou vrstvu, přičemž vykazuje oxidační stav -1 (méně často) , tvořící častěji iontovou vazbu (viz iontová vazba), protože rozdíl v elektronegativitě atomu vodíku a atomu kovu může být poměrně velký.

H2

V plynném stavu je vodík ve formě dvouatomových molekul, které tvoří nepolární kovalentní vazbu.

Molekuly vodíku mají:

• velká mobilita;
• velká síla;
• nízká polarizovatelnost;
• malé rozměry a hmotnost.

Vlastnosti plynného vodíku:

• nejlehčí plyn v přírodě, bez barvy a zápachu;
• špatně rozpustný ve vodě a organických rozpouštědlech;
• v malých množstvích se rozpouští v kapalných a pevných kovech (zejména v platině a palladiu);
• obtížné zkapalnění (kvůli jeho nízké polarizaci);
• má nejvyšší tepelnou vodivost ze všech známých plynů;
• při zahřátí reaguje s mnoha nekovy a vykazuje vlastnosti redukčního činidla;
• při pokojové teplotě reaguje s fluorem (dochází k explozi): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaguje s kovy za vzniku hydridů, vykazujících oxidační vlastnosti: H 2 + Ca = CaH 2;

Ve sloučeninách vodík projevuje své redukční vlastnosti mnohem silněji než oxidační. Vodík je po uhlí, hliníku a vápníku nejsilnější redukční činidlo. Redukční vlastnosti vodíku jsou široce využívány v průmyslu k získávání kovů a nekovů (jednoduchých látek) z oxidů a galidů.

Fe 2 O 3 + 3 H 2 \u003d 2 Fe + 3 H 2 O

Reakce vodíku s jednoduchými látkami

Vodík přijímá elektron, který hraje roli redukční činidlo, v reakcích:

• S kyslík(při zapálení nebo v přítomnosti katalyzátoru) v poměru 2:1 (vodík:kyslík) vzniká výbušný detonační plyn: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 +1 O + 572 kJ
• S šedá(při zahřátí na 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• S chlór(při zapálení nebo ozáření UV paprsky): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H + 1 Cl
• S fluor: H20 + F2 \u003d 2H + 1 F
• S dusík(při zahřívání v přítomnosti katalyzátorů nebo při vysokém tlaku): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Vodík daruje elektron a hraje roli oxidační činidlo, v reakcích s zásadité A alkalické zeminy kovů za vzniku hydridů kovů - solí podobné iontové sloučeniny obsahující hydridové ionty H - jsou nestabilní krystalické látky bílé barvy.

Ca + H 2 \u003d CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \u003d 2NaH -1

Je neobvyklé, že vodík vykazuje oxidační stav -1. Při reakci s vodou se hydridy rozkládají a redukují vodu na vodík. Reakce hydridu vápenatého s vodou je následující:

CaH2-1 + 2H2+10 \u003d 2H20 + Ca (OH)2

Reakce vodíku s komplexními látkami

• při vysoké teplotě vodík redukuje mnoho oxidů kovů: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
• methylalkohol se získává jako výsledek reakce vodíku s oxidem uhelnatým (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• při hydrogenačních reakcích reaguje vodík s mnoha organickými látkami.

Podrobnější rovnice chemické reakce vodík a jeho sloučeniny jsou diskutovány na stránce "Vodík a jeho sloučeniny - rovnice chemických reakcí s vodíkem".

Aplikace vodíku

• v jaderné energetice se používají izotopy vodíku - deuterium a tritium;
• v chemickém průmyslu se vodík používá k syntéze mnoha organická hmota amoniak, chlorovodík;
• v potravinářském průmyslu se vodík používá při výrobě pevných tuků hydrogenací rostlinných olejů;
• pro svařování a řezání kovů se používá vysoká teplota spalování vodíku v kyslíku (2600 °C);
• při výrobě některých kovů se jako redukční činidlo používá vodík (viz výše);
• protože vodík je lehký plyn, používá se v letectví jako náplň do balonů, balonů, vzducholodí;
• Jako palivo se používá vodík smíchaný s CO.

V posledních letech vědci věnovali velkou pozornost hledání alternativní zdroje obnovitelná energie. Jednou z perspektivních oblastí je „vodíková“ energetika, ve které se jako palivo využívá vodík, jehož produktem spalování je obyčejná voda.

Způsoby výroby vodíku

Průmyslové způsoby výroby vodíku:

• konverze methanu (katalytická redukce vodní páry) vodní párou při vysoké teplotě (800°C) na niklovém katalyzátoru: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
• konverze oxidu uhelnatého párou (t=500 °C) na katalyzátoru Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
• tepelný rozklad metanu: CH 4 \u003d C + 2H 2;
• zplyňování pevných paliv (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• elektrolýza vody (velmi nákladná metoda, při které se získává velmi čistý vodík): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratorní metody výroby vodíku:

• působení na kovy (obvykle zinek) pomocí kyseliny chlorovodíkové nebo zředěné kyseliny sírové: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H 2; Zn + H2SO4 \u003d ZnS04 + H2;
• interakce vodní páry s horkými železnými hoblinami: 4H 2 O + 3 Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4 H 2.

Obecné schéma "VODÍK"

já. Vodík je chemický prvek

a) Pozice v RESP

• sériové číslo №1
• období 1
• skupina I (hlavní podskupina "A")
• relativní hmotnost Ar(H)=1
• Latinský název Hydrogenium (zrození vody)

b) Rozšíření vodíku v přírodě

Vodík je chemický prvek.	V zemské kůře(litosféra a hydrosféra) – 1 % hmotn (10. místo mezi všemi prvky)
	ATMOSFÉRA - 0,0001 % podle počtu atomů
	Nejběžnější prvek ve vesmíru – 92 % všech atomů (hlavní složka hvězd a mezihvězdného plynu)

Vodík – chemický živel	Ve spojeních	H 2 O - voda(11 % hmotnosti)
		CH 4 - plynný metan(25 % hmotnosti)
		organická hmota(ropa, hořlavé zemní plyny a další) V živočišných a rostlinných organismech(tedy ve složení bílkovin, nukleových kyselin, tuků, sacharidů a dalších) V lidském těle v průměru obsahuje asi 7 kilogramů vodíku.

c) Valence vodíku ve sloučeninách

II. Vodík je jednoduchá látka (H2)

Účtenka

1. Laboratoř (Kippův přístroj) A) Interakce kovů s kyselinami: Zn+ 2HCl \u003d ZnCl2 + H2 sůl B) Interakce aktivních kovů s vodou: 2Na + 2H20 \u003d 2NaOH + H2 základna

2. Průmysl · elektrolýza vody e-mailem aktuální 2H20 \u003d 2H2 + O2 · Ze zemního plynu t, Ni CH4 + 2H20 \u003d 4H2 + CO2

Hledání vodíku v přírodě.

Vodík je v přírodě široce rozšířen, jeho obsah v zemské kůře (litosféře a hydrosféře) je 1 % hmotnosti a 16 % počtu atomů. Vodík je součástí nejrozšířenější látky na Zemi - vody (11,19 % hmotnostních vodíku), ve sloučeninách, které tvoří uhlí, ropu, zemní plyny, jíly, a také živočišné a rostlinné organismy (tj. bílkoviny, nukleové kyseliny, tuky, sacharidy atd.). Vodík je ve volném stavu extrémně vzácný, v malém množství se nachází ve vulkanických a jiných přírodních plynech. V atmosféře je přítomno zanedbatelné množství volného vodíku (0,0001 % podle počtu atomů). V blízkém prostoru Země tvoří vodík ve formě proudu protonů vnitřní ("proton") radiační pás Země. Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Ve formě plazmy tvoří asi polovinu hmotnosti Slunce a většiny hvězd, většinu plynů mezihvězdného prostředí a plynných mlhovin. Vodík je přítomen v atmosféře řady planet a v kometách ve formě volného H 2 , metanu CH 4 , amoniaku NH 3 , vody H 2 O a radikálů. Vodík je ve formě proudu protonů součástí korpuskulárního záření Slunce a kosmického záření.

Existují tři izotopy vodíku:
a) lehký vodík - protium,
b) těžký vodík - deuterium (D),
c) supertěžký vodík - tritium (T).

Tritium je nestabilní (radioaktivní) izotop, takže se v přírodě prakticky nevyskytuje. Deuterium je stabilní, ale je velmi malé: 0,015 % (hmotnosti veškerého pozemského vodíku).

Valence vodíku ve sloučeninách

Ve sloučeninách vodík vykazuje mocenství já

Fyzikální vlastnosti vodíku

Jednoduchá látka vodík (H 2) je plyn, lehčí než vzduch, bezbarvý, bez zápachu, bez chuti, t kip \u003d - 253 0 C, vodík je nerozpustný ve vodě, hořlavý. Vodík lze sbírat vytlačením vzduchu ze zkumavky nebo vody. V tomto případě musí být trubice obrácena dnem vzhůru.

Získání vodíku

V laboratoři se reakcí vyrábí vodík

Zn + H2SO4 \u003d ZnS04 + H2.

Místo zinku lze použít železo, hliník a některé další kovy a místo kyseliny sírové lze použít některé další zředěné kyseliny. Vzniklý vodík se shromažďuje ve zkumavce metodou vytěsňování vody (viz obr. 10.2 b) nebo jednoduše v obrácené baňce (obr. 10.2 a).

V průmyslu se vodík získává ve velkém množství ze zemního plynu (hlavně metanu) interakcí s vodní párou při 800 °C v přítomnosti niklového katalyzátoru:

CH4 + 2H20 \u003d 4H2 + CO2 (t, Ni)

nebo ošetřené při vysoké teplotě vodním uhlím:

2H20 + C \u003d 2H2 + CO2. (t)

Čistý vodík se získává z vody jejím rozkladem elektrický šok(podléhá elektrolýze):

2H20 \u003d 2H2 + O2 (elektrolýza).

Chemické vlastnosti vodíku

Za normálních podmínek je molekulární vodík relativně neaktivní, snoubí se přímo pouze s nejaktivnějšími nekovy (s fluorem a na světle také s chlorem). Při zahřátí však reaguje s mnoha prvky.

Vodík reaguje s jednoduchými a složitými látkami:

- Interakce vodíku s kovy vede ke vzniku komplexních látek - hydridů, v jejichž chemických vzorcích je atom kovu vždy na prvním místě:

Při vysoké teplotě reaguje vodík přímo s některými kovy(alkalické, alkalické zeminy a další), tvořící bílé krystalické látky - hydridy kovů (Li H, Na H, KH, CaH 2 atd.):

H2 + 2Li = 2LiH

Hydridy kovů se snadno rozkládají vodou za vzniku odpovídajících alkálií a vodíku:

so H2 + 2H20 \u003d Ca (OH)2 + 2H2

- Když vodík interaguje s nekovy vznikají těkavé sloučeniny vodíku. V chemický vzorec těkavá sloučenina vodíku, atom vodíku může být buď na prvním nebo na druhém místě, v závislosti na umístění v PSCE (viz štítek na snímku):

1). S kyslíkem Vodík tvoří vodu:

Video "Spalování vodíku"

2H2+02 \u003d 2H20 + Q

Při běžných teplotách reakce probíhá extrémně pomalu, nad 550 ° C - s explozí (směs 2 objemů H2 a 1 objemu O2 se nazývá výbušný plyn) .

Video „Výbuch výbušného plynu“

Video "Příprava a výbuch výbušné směsi"

2). S halogeny Vodík tvoří halogenovodíky, například:

H2 + Cl2 \u003d 2HCl

Vodík exploduje s fluorem (i ve tmě a při -252°C), s chlorem a bromem reaguje pouze při osvětlení nebo zahřátí a s jódem pouze při zahřátí.

3). S dusíkem Vodík reaguje za vzniku amoniaku:

ZN2 + N2 \u003d 2NH3

pouze na katalyzátoru a při zvýšených teplotách a tlacích.

4). Při zahřátí vodík prudce reaguje se sírou:

H2 + S \u003d H2S (sirovodík),

mnohem obtížnější se selenem a tellurem.

5). s čistým uhlíkem Vodík může reagovat bez katalyzátoru pouze při vysokých teplotách:

2H2 + C (amorfní) = CH4 (methan)

- Vodík vstupuje do substituční reakce s oxidy kovů , přičemž ve výrobcích vzniká voda a kov se redukuje. Vodík - má vlastnosti redukčního činidla:

Používá se vodík pro regeneraci mnoha kovů, protože odebírá kyslík z jejich oxidů:

Fe304 + 4H2 \u003d 3Fe + 4H20 atd.

Aplikace vodíku

Video „Použití vodíku“

V současné době se vodík vyrábí v obrovském množství. Jeho velká část se používá při syntéze čpavku, hydrogenaci tuků a hydrogenaci uhlí, olejů a uhlovodíků. Kromě toho se vodík používá pro syntézu kyseliny chlorovodíkové, metylalkoholu, kyseliny kyanovodíkové, při svařování a kování kovů, jakož i při výrobě žárovek a drahých kamenů. Vodík se prodává v lahvích pod tlakem nad 150 atm. Jsou natřeny tmavě zelenou barvou a dodávají se s červeným nápisem „Hydrogen“.

Vodík se používá k přeměně kapalných tuků na tuhé tuky (hydrogenace), k výrobě kapalných paliv hydrogenací uhlí a topného oleje. V metalurgii se vodík používá jako redukční činidlo pro oxidy nebo chloridy k výrobě kovů a nekovů (germanium, křemík, gallium, zirkonium, hafnium, molybden, wolfram atd.).

Praktické využití vodíku je rozmanité: bývá plněn balónky, v chemickém průmyslu slouží jako surovina pro výrobu mnoha velmi důležitých produktů (čpavek atd.), v potravinářském průmyslu - pro výrobu pevných látek tuky z rostlinných olejů apod. Vysoká teplota (až 2600 °C), získaná spalováním vodíku v kyslíku, slouží k tavení žáruvzdorných kovů, křemene apod. Kapalný vodík je jedním z nejúčinnějších tryskových paliv. Roční světová spotřeba vodíku přesahuje 1 milion tun.

SIMULÁTORY

č. 2 Vodík

ÚKOLY PRO POSÍLENÍ

Úkol číslo 1
Sestavte rovnice pro reakce interakce vodíku s následujícími látkami: F 2, Ca, Al 2 O 3, oxid rtuťnatý (II), oxid wolframu (VI). Pojmenujte reakční produkty, uveďte typy reakcí.

Úkol číslo 2
Proveďte transformace podle schématu:
H20 -> H2 -> H2S -> SO2

Úkol číslo 3.
Vypočítejte hmotnost vody, kterou lze získat spálením 8 g vodíku?