Vesiniku avastamise ajalugu

Kui see on kõige levinum keemiline element Maal, siis vesinik on kogu universumis kõige levinum element. Meie (ja teised tähed) on umbes pooled vesinikud ja tähtedevahelise gaasi puhul on see 90% vesinikuaatomitest. Sellel keemilisel elemendil on ka Maal arvestatav koht, kuna koos hapnikuga on see osa veest ja selle nimi "vesinik" pärineb kahest vanakreeka sõnast: "vesi" ja "sünnitan". Vesinik on lisaks veele enamikus orgaanilistes ainetes ja rakkudes, ilma selleta, nagu ka hapnikuta, poleks Elu ise mõeldav.

Vesiniku avastamise ajalugu

Esimene teadlaste seas, kes vesinikku märkas, oli suur alkeemik ja keskaja arst Theophrastus Paracelsus. Oma alkeemilistes katsetes, lootuses hapetega segades leida "tarkade kivi", sai Paracelsus mingit senitundmatut põlevat gaasi. Tõsi, seda gaasi polnud võimalik õhust eraldada.

Vaid poolteist sajandit pärast Paracelsust suutis prantsuse keemik Lemery eraldada vesiniku õhust ja tõestada selle süttivust. Tõsi, Lemery ei saanud aru, et saadud gaas oli puhas vesinik. Samal ajal tegeles sarnaste keemiliste katsetega ka vene teadlane Lomonosov, kuid tõelise läbimurde vesiniku uurimisel tegi inglise keemik Henry Cavendish, keda peetakse õigusega vesiniku avastajaks.

1766. aastal õnnestus Cavendishil saada puhast vesinikku, mida ta nimetas "põlevaks õhuks". Veel 20 aasta pärast suutis andekas prantsuse keemik Antoine Lavoisier sünteesida vett ja eraldada sellest väga "süttiva õhu" - vesiniku. Ja muide, just Lavoisier pakkus välja vesiniku nime – "Hydrogenium" ehk "vesinik".

Antoine Lavoisier koos oma naisega, kes aitas tal läbi viia keemilisi katseid, sealhulgas vesiniku sünteesi.

Keemiliste elementide paigutus Mendelejevi perioodilises süsteemis põhineb nende aatommassil, mis on arvutatud vesiniku aatommassi suhtes. Ehk teisisõnu vesinik ja selle aatommass on perioodilisuse tabeli nurgakivi, tugipunkt, mille alusel suur keemik oma süsteemi lõi. Seetõttu pole üllatav, et vesinik on perioodilisuse tabelis auväärsel esikohal.

Lisaks on vesinikul järgmised omadused:

• Vesiniku aatommass on 1,00795.
• Vesinikul on kolm isotoopi, millest igaühel on individuaalsed omadused.
• Vesinik on väikese tihedusega kerge element.
• Vesinikul on nii redutseerivad kui ka oksüdeerivad omadused.
• Suhtudes metallidega, võtab vesinik vastu nende elektronid ja muutub oksüdeerivaks aineks. Selliseid ühendeid nimetatakse hüdraatideks.

Vesinik on gaas, selle molekul koosneb kahest aatomist.

Nii näeb välja vesiniku molekul.

Sellistest kaheaatomilistest molekulidest moodustunud molekulaarne vesinik plahvatab, kui tuuakse üles põlev tikk. Kui vesinikumolekul plahvatab, laguneb see aatomiteks, mis muutuvad heeliumi tuumadeks. Täpselt nii juhtub Päikesel ja teistel tähtedel – vesiniku molekulide pideva lagunemise tõttu meie valgusti põleb ja soojendab meid oma soojusega.

Vesiniku füüsikalised omadused

Vesinikul on järgmised omadused füüsikalised omadused:

• Vesiniku keemistemperatuur on 252,76 °C;
• Ja temperatuuril 259,14 ° C hakkab see juba sulama.
• Vesinik lahustub vees vähe.
• Puhas vesinik on väga ohtlik plahvatusohtlik ja põlev aine.
• Vesinik on õhust 14,5 korda kergem.

Vesiniku keemilised omadused

Sest vesinik võib olla erinevaid olukordi ning oksüdeeriv ja redutseeriv aine, kasutatakse seda reaktsioonide ja sünteeside läbiviimiseks.

Vesiniku oksüdeerivad omadused interakteeruvad aktiivsete (tavaliselt leelis- ja leelismuldmetallidega), nende interaktsioonide tulemusena tekivad hüdriidid - soolataolised ühendid. Kuid hüdriidid tekivad ka vesiniku reaktsioonides mitteaktiivsete metallidega.

Vesiniku redutseerivatel omadustel on võime redutseerida metallid nende oksiididest lihtsateks aineteks, tööstuses nimetatakse seda hüdrotermiaks.

Kuidas saada vesinikku?

Tööstuslike vesiniku tootmise vahendite hulgas on:

• kivisöe gaasistamine,
• metaani aurureformeerimine,
• elektrolüüs.

Laboris saab vesinikku saada:

• metallihüdriidide hüdrolüüsil,
• reageerimisel veega leelis- ja leelismuldmetallidega,
• lahjendatud hapete koostoimes aktiivsete metallidega.

Vesiniku rakendamine

Kuna vesinik on õhust 14 korda kergem, topiti seda vanasti õhupalle ja õhulaevu. Kuid pärast õhulaevadega toimunud katastroofe pidid disainerid otsima vesinikule asendust (tuletage meelde, et puhas vesinik on plahvatusohtlik aine ja plahvatuse tekitamiseks piisas vähimastki sädemest).

Õhulaeva Hindenburg plahvatus 1937. aastal, plahvatuse põhjuseks oli vesiniku süttimine (lühise tõttu), millel see tohutu õhulaev lendas.

Seetõttu hakati selliste lennukite jaoks vesiniku asemel kasutama heeliumi, mis on ka õhust kergem, heeliumi saamine on töömahukam, kuid see pole nii plahvatusohtlik kui vesinik.

Puhastamiseks kasutatakse ka vesinikku mitmesugused kütused, eriti nafta ja naftatoodete baasil.

Vesinik, video

Ja lõpuks õppevideo meie artikli teemal.

Perioodilises süsteemis paikneb vesinik kahes elementide rühmas, mis on oma omadustelt absoluutselt vastandlikud. See funktsioon muudab selle täiesti ainulaadseks. Vesinik ei ole ainult element või aine, vaid ka paljude kompleksühendite komponent, organogeenne ja biogeenne element. Seetõttu kaalume selle omadusi ja omadusi üksikasjalikumalt.

Põlevgaasi eraldumist metallide ja hapete koosmõjul täheldati juba 16. sajandil ehk siis keemia kui teaduse kujunemise ajal. Kuulus inglise teadlane Henry Cavendish uuris ainet alates 1766. aastast ja andis sellele nimetuse "põlev õhk". Põlemisel tekkis sellest gaasist vett. Kahjuks takistas teadlase flogistoni (hüpoteetilise "hüperpeenaine") teooria järgimine õigete järelduste tegemist.

Prantsuse keemik ja loodusteadlane A. Lavoisier viis 1783. aastal koos insener J. Meunier'ga ja spetsiaalsete gaasimeetrite abil läbi vee sünteesi ja seejärel selle analüüsi, lagundades veeauru punakuuma rauaga. Seega suutsid teadlased teha õigeid järeldusi. Nad leidsid, et "põlevõhk" pole mitte ainult osa veest, vaid seda saab ka sellest saada.

1787. aastal väitis Lavoisier, et uuritud gaas on lihtne aine ja kuulub seega peamiste keemiliste elementide hulka. Ta nimetas seda vesinikuks (kreeka sõnadest hydor - vesi + gennao - ma sünnitan), see tähendab "vee sünnitamiseks".

Venekeelse nimetuse "vesinik" pakkus 1824. aastal välja keemik M. Solovjov. Vee koostise kindlaksmääramine tähistas "flogistoniteooria" lõppu. 18. ja 19. sajandi vahetusel leiti, et vesinikuaatom on väga kerge (võrreldes teiste elementide aatomitega) ja selle mass võeti aatomimasside võrdlemisel põhiühikuks, saades väärtuseks 1.

Füüsikalised omadused

Vesinik on teadusele teadaolevatest ainetest kõige kergem (see on õhust 14,4 korda kergem), selle tihedus on 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). See materjal sulab (tahkestub) ja keeb (vedeldub) vastavalt temperatuuril -259,1 ° C ja -252,8 ° C (ainult heeliumil on madalam keemis- ja sulamistemperatuur t °).

Vesiniku kriitiline temperatuur on äärmiselt madal (-240 °C). Seetõttu on selle vedeldamine üsna keeruline ja kulukas protsess. Aine kriitiline rõhk on 12,8 kgf / cm² ja kriitiline tihedus 0,0312 g / cm³. Kõigist gaasidest on vesinikul kõrgeim soojusjuhtivus: 1 atm ja 0 ° C juures on see 0,174 W / (mxK).

Aine erisoojusmaht samadel tingimustel on 14,208 kJ / (kgxK) või 3,394 cal / (gh ° C). See element lahustub vees vähesel määral (umbes 0,0182 ml / g 1 atm ja 20 ° C juures), kuid hästi - enamikus metallides (Ni, Pt, Pa jt), eriti pallaadiumis (umbes 850 mahuosa Pd mahu kohta). .

Viimane omadus on seotud selle hajutamisvõimega, samas kui difusiooniga läbi süsinikusulami (näiteks terase) võib kaasneda sulami hävimine vesiniku ja süsiniku vastasmõju tõttu (seda protsessi nimetatakse dekarboniseerimiseks). Vedelas olekus on aine väga kerge (tihedus - 0,0708 g / cm³ temperatuuril t ° \u003d -253 ° C) ja vedel (viskoossus - 13,8 kraadi samadel tingimustel).

Paljudes ühendites on sellel elemendil +1 valents (oksüdatsiooniaste), mis sarnaneb naatriumi ja teiste leelismetallidega. Tavaliselt peetakse seda nende metallide analoogiks. Sellest lähtuvalt juhib ta Mendelejevi süsteemi I rühma. Metallhüdriidides on vesinikuioonil negatiivne laeng (oksüdatsiooniaste on -1), see tähendab, et Na + H- struktuur sarnaneb Na + Cl-kloriidiga. Selle ja mõne muu fakti kohaselt (elemendi "H" ja halogeenide füüsikaliste omaduste lähedus, võime asendada see halogeenidega orgaanilised ühendid x) Vesinik kuulub Mendelejevi süsteemi VII rühma.

IN normaalsetes tingimustes molekulaarne vesinik on madala aktiivsusega, kombineerides otseselt ainult kõige aktiivsemate mittemetallidega (fluori ja klooriga, viimasega - valguses). Kuumutamisel interakteerub see omakorda paljude keemiliste elementidega.

Aatomi vesinikul on suurem keemiline aktiivsus (võrreldes molekulaarse vesinikuga). Hapnikuga moodustab see vett vastavalt valemile:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

vabastades 285,937 kJ/mol soojust või 68,3174 kcal/mol (25°C, 1 atm). Tavalises temperatuuri tingimused reaktsioon kulgeb üsna aeglaselt ja temperatuuril t ° >= 550 ° C - kontrollimatult. Vesiniku + hapniku segu plahvatuspiirid on 4–94 mahuprotsenti H₂ ja vesiniku ja õhu segude plahvatuspiirid 4–74 % H₂ (segu, mis koosneb kahest mahust H2 ja ühest mahust O2, nimetatakse plahvatusohtlikuks gaasiks).

Seda elementi kasutatakse enamiku metallide redutseerimiseks, kuna see võtab oksiididest hapnikku:

Fe3O4 + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H2O jne.

Erinevate halogeenide korral moodustab vesinik vesinikhalogeniide, näiteks:

H2 + Cl2 = 2HCl.

Kuid fluoriga reageerides plahvatab vesinik (see juhtub ka pimedas, temperatuuril -252 ° C), reageerib broomi ja klooriga ainult kuumutamisel või valgustamisel ning joodiga - ainult kuumutamisel. Lämmastikuga suhtlemisel tekib ammoniaak, kuid ainult katalüsaatoril, kõrgendatud rõhul ja temperatuuril:

ZN2 + N2 = 2NH3.

Kuumutamisel reageerib vesinik aktiivselt väävliga:

H₂ + S = H2S (vesiniksulfiid),

ja palju raskem - telluuri või seleeniga. Vesinik reageerib puhta süsinikuga ilma katalüsaatorita, kuid kõrgetel temperatuuridel:

2H2 + C (amorfne) = CH4 (metaan).

See aine reageerib otseselt mõne metalliga (leelis, leelismuldmuld ja teised), moodustades hüdriide, näiteks:

Н₂ + 2Li = 2LiH.

Vähese praktilise tähtsusega on vesiniku ja süsinikmonooksiidi (II) vastasmõju. Sel juhul tekivad olenevalt rõhust, temperatuurist ja katalüsaatorist erinevad orgaanilised ühendid: HCHO, CH₃OH jne. Küllastumata süsivesinikud muutuvad reaktsiooni käigus küllastunud süsivesinikeks, näiteks:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Vesinik ja selle ühendid mängivad keemias erakordset rolli. See määrab happelised omadused nn. protoonsed happed kalduvad moodustama erinevate elementidega vesiniksidemeid, millel on oluline mõju paljude anorgaaniliste ja orgaaniliste ühendite omadustele.

Vesiniku saamine

Selle elemendi tööstuslikuks tootmiseks kasutatavad peamised tooraineliigid on rafineerimistehaste gaasid, looduslikud põlevad ja koksiahjugaasid. Seda saadakse ka veest elektrolüüsi teel (sobiva elektriga kohtades). Üks olulisemaid meetodeid maagaasist materjali saamiseks on süsivesinike, peamiselt metaani katalüütiline interaktsioon veeauruga (nn konversioon). Näiteks:

CH4 + H2O = CO + ZH2.

Süsivesinike mittetäielik oksüdatsioon hapnikuga:

CH4 + ½O2 \u003d CO + 2H2.

Sünteesitud süsinikmonooksiid (II) muundub:

CO + H2O = CO2 + H2.

Maagaasist toodetud vesinik on odavaim.

Vee elektrolüüsiks kasutatakse alalisvoolu, mis juhitakse läbi NaOH või KOH lahuse (seadmete korrosiooni vältimiseks happeid ei kasutata). Laboritingimustes saadakse materjal vee elektrolüüsil või vesinikkloriidhappe ja tsingi vahelise reaktsiooni tulemusena. Kuid sagedamini kasutatakse silindrites valmis tehasematerjali.

Rafineerimistehase gaasidest ja koksiahju gaasist eraldatakse see element, eemaldades kõik muud gaasisegu komponendid, kuna need vedelduvad sügaval jahutamisel kergemini.

Seda materjali hakati tööstuslikult hankima 18. sajandi lõpus. Siis kasutati seda õhupallide täitmiseks. Praegu kasutatakse vesinikku laialdaselt tööstuses, peamiselt keemiatööstuses, ammoniaagi tootmiseks.

Aine massitarbijad on metüül- ja muude alkoholide, sünteetilise bensiini ja paljude muude toodete tootjad. Neid saadakse süsinikmonooksiidi (II) ja vesiniku sünteesil. Vesinikku kasutatakse raskete ja tahkete vedelkütuste, rasvade jms hüdrogeenimiseks, HCl sünteesiks, naftasaaduste hüdrogeenimiseks, samuti metallide lõikamisel/keevitamisel. Tuumaenergia kõige olulisemad elemendid on selle isotoobid – triitium ja deuteerium.

Vesiniku bioloogiline roll

Umbes 10% elusorganismide massist (keskmiselt) langeb sellele elemendile. See on osa veest ja kõige olulisematest looduslike ühendite rühmadest, sealhulgas valgud, nukleiinhapped, lipiidid, süsivesikud. Mida see teenib?

Sellel materjalil on otsustav roll: hooldamisel ruumiline struktuur valgud (kvaternaarsed), komplementaarsuse põhimõtte rakendamisel nukleiinhapped(st juurutamisel ja salvestamisel geneetiline teave), üldiselt "äratundmisel" molekulaarsel tasandil.

Vesinikuioon H+ osaleb olulistes dünaamilistes reaktsioonides/protsessides kehas. Sealhulgas: bioloogilises oksüdatsioonis, mis varustab elusrakke energiaga, biosünteesireaktsioonides, fotosünteesis taimedes, bakteriaalses fotosünteesis ja lämmastiku sidumises, happe-aluse tasakaalu ja homöostaasi säilitamises, membraani transpordiprotsessides. Koos süsiniku ja hapnikuga moodustab see elunähtuste funktsionaalse ja struktuurse aluse.

MÄÄRATLUS

Vesinik- D.I keemiliste elementide perioodilise süsteemi esimene element. Mendelejev. Sümbol on N.

Aatommass - 1 a.m.u. Vesiniku molekul on kaheaatomiline - H2.

Vesinikuaatomi elektrooniline konfiguratsioon on 1s 1. Vesinik kuulub s-elementide perekonda. Selle ühendites on oksüdatsiooniastmed -1, 0, +1. Looduslik vesinik koosneb kahest stabiilsest isotoobist - protium 1 H (99,98%) ja deuteerium 2 H (D) (0,015%) - ja triitiumi radioaktiivsest isotoobist 3 H (T) (väljudes, poolestusaeg - 12,5 aastat).

Vesiniku keemilised omadused

Normaalsetes tingimustes on molekulaarsel vesinikul suhteliselt madal reaktsioonivõime, mis on seletatav molekuli suure sideme tugevusega. Kuumutamisel interakteerub see peaaegu kõigi lihtsate ainetega, mille moodustavad põhialarühmade elemendid (välja arvatud väärisgaasid, B, Si, P, Al). IN keemilised reaktsioonid võib toimida nii redutseeriva ainena (sagedamini) kui ka oksüdeeriva ainena (harvemini).

Vesinik avaldub redutseeriva aine omadused(H20-2e → 2H+) järgmistes reaktsioonides:

1. Koostoime reaktsioonid lihtainetega - mittemetallidega. Vesinik reageerib halogeenidega, pealegi interaktsiooni reaktsioon fluoriga tavatingimustes, pimedas, plahvatusega, klooriga - valgustuse (või UV-kiirguse) all ahelmehhanismi abil, broomi ja joodiga ainult kuumutamisel; hapnikku(hapniku ja vesiniku segu mahusuhtes 2:1 nimetatakse plahvatusohtlikuks gaasiks), hall, lämmastik Ja süsinik:

H2 + Hal 2 \u003d 2HHal;

2H2 + O2 \u003d 2H20 + Q (t);

H2 + S \u003d H2S (t \u003d 150 - 300C);

3H2 + N2↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Kompleksainetega koostoime reaktsioonid. Vesinik reageerib madala aktiivsusega metallide oksiididega ja see suudab redutseerida ainult tsingist paremal asuvas tegevussarjas olevaid metalle:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O (t);

Fe2O3 + 3H2 \u003d 2Fe + 3H2O (t);

WO3 + 3H2 \u003d W + 3H2O (t).

Vesinik reageerib mittemetallide oksiididega:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300 C, p = 250 - 300 atm, kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Vesinik siseneb hüdrogeenimisreaktsioonidesse tsükloalkaanide, alkeenide, areenide, aldehüüdide ja ketoonide jne klassi orgaaniliste ühenditega. Kõik need reaktsioonid viiakse läbi kuumutamisel, rõhu all, katalüsaatoritena kasutatakse plaatinat või niklit:

CH2 \u003d CH2 + H2 ↔ CH3-CH3;

C6H6 + 3H2↔ C6H12;

C3H6 + H2↔ C3H8;

CH3CHO + H2↔ CH3-CH2-OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH (OH) -CH 3.

Vesinik oksüdeeriva ainena(H 2 + 2e → 2H -) toimib koostoime reaktsioonides aluselise ja leelismuldmetallid. Sel juhul moodustuvad hüdriidid - kristalsed ioonühendid, milles vesiniku oksüdatsiooniaste on -1.

2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Vesiniku füüsikalised omadused

Vesinik on hele värvitu gaas, lõhnatu, tihedusega n.o. - 0,09 g / l, õhust 14,5 korda kergem, t pall = -252,8C, t pl = -259,2C. Vesinik lahustub halvasti vees ja orgaanilistes lahustites, lahustub hästi mõnes metallis: nikkel, pallaadium, plaatina.

Kaasaegse kosmokeemia järgi on vesinik universumis kõige levinum element. Vesiniku kosmoses eksisteerimise peamine vorm on üksikud aatomid. Vesinik on Maal kõige levinumalt 9. kohal. Põhiline vesiniku kogus Maal on seotud olekus - vee, nafta, maagaasi koostises, kivisüsi jne. Lihtsa aine kujul leidub vesinikku harva - vulkaaniliste gaaside koostises.

Vesiniku saamine

Vesiniku tootmiseks on olemas laboratoorsed ja tööstuslikud meetodid. Laboratoorsed meetodid hõlmavad metallide koostoimet hapetega (1), samuti alumiiniumi koostoimet leeliste vesilahustega (2). Tööstuslike vesiniku tootmise meetodite hulgas on elektrolüüsil oluline roll. vesilahused leelised ja soolad (3) ning metaani muundamine (4):

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na + 3 H2 (2);

2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

Harjutus	Kui 23,8 g metallilist tina interaktsioonis vesinikkloriidhappe liiaga, eraldus vesinik, koguses, millest piisab 12,8 g metallilise vase saamiseks. Määrake tina oksüdatsiooniaste saadud ühendis.
Lahendus	Tina aatomi elektronstruktuuri (...5s 2 5p 2) põhjal võime järeldada, et tina iseloomustab kaks oksüdatsiooniastet - +2, +4. Selle põhjal koostame võimalike reaktsioonide võrrandid: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H2 \u003d Cu + H2O (3). Leidke vase aine kogus: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) = 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Vastavalt võrrandile 3 on vesiniku aine kogus: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Teades tina massi, leiame selle aine koguse: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) = 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Võrdleme tina ja vesiniku ainete koguseid võrrandite 1 ja 2 järgi ning vastavalt ülesande seisukorrale: v1 (Sn): v1 (H2) = 1:1 (võrrand 1); v2 (Sn): v2 (H2) = 1:2 (võrrand 2); v(Sn): v(H2) = 0,2:0,2 = 1:1 (probleemne tingimus). Seetõttu reageerib tina vastavalt võrrandile 1 vesinikkloriidhappega ja tina oksüdatsiooniaste on +2.
Vastus	Tina oksüdatsiooniaste on +2.

NÄIDE 2

Harjutus	Gaas, mis vabanes 2,0 g tsingi toimel 18,7 ml 14,6% vesinikkloriidhappe kohta (lahuse tihedus 1,07 g/ml), juhiti läbi kuumutades üle 4,0 g vask(II)oksiidi. Kui suur on saadud tahke segu mass?
Lahendus	Kui tsink toimib vesinikkloriidhape vesinik vabaneb: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H2 (1), mis kuumutamisel redutseerib vask(II)oksiidi vaseks (2): CuO + H2 \u003d Cu + H2O. Leidke ainete kogus esimeses reaktsioonis: m (p-ra Hcl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v (HCl) = 2,92 / 36,5 \u003d 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Tsingist on puudus, seega vabaneb vesiniku hulk: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0,031 mol. Teises reaktsioonis puudub vesinik, kuna: v (CuO) \u003d 4,0 / 80 \u003d 0,05 mol. Reaktsiooni tulemusena muutub 0,031 mol CuO 0,031 mol Cu-ks ja massikadu on: m (СuО) - m (Сu) = 0,031 × 80 - 0,031 × 64 \u003d 0,50 g. CuO ja Cu tahke segu mass pärast vesiniku läbimist on: 4,0-0,5 = 3,5 g
Vastus	CuO ja Cu tahke segu mass on 3,5 g.

Vesiniku struktuur ja füüsikalised omadused Vesinik on kaheaatomiline gaas H2. Sellel pole värvi ega lõhna. See on kõige kergem gaas. Tänu sellele omadusele kasutati seda õhupallides, õhulaevades ja sarnastes seadmetes, kuid vesiniku laialdast kasutamist nendel eesmärkidel takistab selle plahvatusohtlikkus õhuga segatuna.

Vesinikumolekulid on mittepolaarsed ja väga väikesed, mistõttu on nende vahel vähe vastastikmõju. Sellega seoses on sellel väga madal sulamistemperatuur (-259 ° C) ja keemistemperatuur (-253 ° C). Vesinik on vees praktiliselt lahustumatu.

Vesinikul on 3 isotoopi: tavaline 1H, deuteerium 2H või D ja radioaktiivne triitium 3H või T. Vesiniku rasked isotoobid on ainulaadsed selle poolest, et need on tavalisest vesinikust 2 või isegi 3 korda raskemad! Seetõttu mõjutab tavalise vesiniku asendamine deuteeriumi või triitiumiga oluliselt aine omadusi (näiteks tavalise vesiniku H2 ja deuteeriumi D2 keemistemperatuurid erinevad 3,2 kraadi võrra). Vesiniku vastastikmõju lihtsate ainetega Vesinik on keskmise elektronegatiivsusega mittemetall. Seetõttu on sellel nii oksüdeerivad kui ka redutseerivad omadused.

Vesiniku oksüdeerivad omadused avalduvad reaktsioonides tüüpiliste metallidega - perioodilisuse tabeli I-II rühmade peamiste alarühmade elementidega. Kõige aktiivsemad metallid (leelis- ja leelismuldmuld) annavad vesinikuga kuumutamisel hüdriide – tahkeid soolataolisi aineid, mis sisaldavad kristallvõres hüdriidiooni H-. 2Na + H2 = 2NaH ; Ca + H2 = CaH2 Vesiniku redutseerivad omadused avalduvad reaktsioonides tüüpilisemate mittemetallidega kui vesinik: 1) Koostoime halogeenidega H2+F2=2HF

Koostoime fluori analoogidega - kloor, broom, jood kulgeb sarnaselt. Halogeeni aktiivsuse vähenedes väheneb reaktsiooni intensiivsus. Reaktsioon fluoriga toimub tavatingimustes plahvatusega, reaktsioon klooriga nõuab valgustamist või kuumutamist ning reaktsioon joodiga toimub ainult tugeval kuumutamisel ja on pöörduv. 2) Koostoime hapnikuga 2H2 + O2 \u003d 2H2O Reaktsioon kulgeb suure soojuse vabanemisega, mõnikord plahvatusega. 3) Koostoime väävliga H2 + S = H2S Väävel on palju vähem aktiivne mittemetall kui hapnik ja koostoime vesinikuga toimub sujuvalt.b 4) Koostoime lämmastikuga 3H2 + N2↔ 2NH3 Reaktsioon on pöörduv, kulgedes märgatavalt ainult katalüsaatori juuresolekul, kuumutamisel ja rõhu all. Toodet nimetatakse ammoniaagiks. 5) Koostoime süsinikuga C + 2H2↔ CH4 Reaktsioon toimub elektrikaares või väga kõrgetel temperatuuridel. Kõrvalproduktidena tekivad ka teised süsivesinikud. 3. Vesiniku vastastikmõju kompleksainetega Vesinik omab redutseerivaid omadusi ka reaktsioonides keeruliste ainetega: 1) Alumiiniumi elektrokeemilises pingereas paiknevate metallioksiidide, samuti mittemetallide oksiidide redutseerimine: Fe2O3 + 2H2 2Fe + 3H2O ; CuO + H2 Cu + H2O Vesinikku kasutatakse redutseeriva ainena metallide ekstraheerimiseks oksiidmaagidest. Reaktsioonid kulgevad kuumutamisel 2) liitumine orgaaniliste küllastumata ainetega; С2Н4 + Н2(t;p) → С2Н6 Reaktsioonid kulgevad katalüsaatori juuresolekul ja rõhu all. Teisi vesiniku reaktsioone me esialgu ei puuduta. 4. Vesiniku saamine Tööstuses saadakse vesinikku süsivesinike tooraine - loodusliku ja sellega seotud gaasi, koksi jne töötlemisel. Laboratoorsed meetodid vesiniku saamiseks:

1) vesinikust vasakul olevate metallide elektrokeemilises pingereas seisvate metallide vastastikmõju hapetega. Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Mg + 2HCl = MgCl2 + H22) Magneesiumist vasakul olevate metallide vastastikmõju metallide elektrokeemilises pingereas külma veega . Sel juhul tekib ka leelist.

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 Metallide elektrokeemilises pingereas mangaanist vasakul asuv metall suudab teatud tingimustel veest vesinikku välja tõrjuda (magneesium - kuumast veest, alumiinium - eeldusel, et oksiidkile eemaldatakse pind).

Mg + 2H2O Mg(OH)2 + H2

Metall, mis asub elektrokeemilises metallipinge seerias koobaltist vasakul, suudab veeaurust vesinikku välja tõrjuda. Sellest moodustub ka oksiid.

3Fe + 4H2Opar Fe3O4 + 4H23) Metallide, mille hüdroksiidid on amfoteersed, interaktsioon leeliselahustega.

Metallid, mille hüdroksiidid on amfoteersed, tõrjuvad vesinikku leeliselahustest välja. Peate teadma kahte sellist metalli - alumiiniumi ja tsinki:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O = K2 + H2

Sel juhul moodustuvad komplekssoolad - hüdroksoaluminaadid ja hüdroksosinkaadid.

Kõik seni loetletud meetodid põhinevad samal protsessil - metalli oksüdeerimine vesinikuaatomiga oksüdatsiooniastmes +1:

М0 + nН+ = Мn+ + n/2 H2

4) Aktiivsete metallhüdriidide koostoime veega:

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2

See protsess põhineb -1 oksüdatsiooniastmes vesiniku ja +1 oksüdatsiooniastmes vesiniku interaktsioonil:

5) Leeliste, hapete, mõnede soolade vesilahuste elektrolüüs:

2H2O 2H2 + O2

5. Vesinikühendid Selles tabelis vasakul on heleda varjuga esile tõstetud elementide rakud, mis moodustavad vesinikuga ioonseid ühendeid, hüdriide. Need ained sisaldavad hüdriidiooni H-. Need on tahked värvitud soolataolised ained ja reageerivad veega, vabastades vesinikku.

IV-VII rühmade peamiste alarühmade elemendid moodustavad vesinikuga molekulaarse struktuuriga ühendeid. Mõnikord nimetatakse neid ka hüdriidideks, kuid see on vale. Need ei sisalda hüdriidiooni, koosnevad molekulidest. Reeglina on nende elementide lihtsaimad vesinikuühendid värvitud gaasid. Erandiks on vesi, mis on vedelik, ja vesinikfluoriid, mis on toatemperatuuril gaasiline, kuid normaalsetes tingimustes- vedelik.

Tumedad rakud näitavad elemente, mis moodustavad vesinikuga ühendeid, millel on happelised omadused.

Tumedad ristiga rakud tähistavad elemente, mis moodustavad vesinikuga ühendeid, millel on põhilised omadused.

=================================================================================

29). üldised omadused põhialarühma elementide omadused 7gr. Kloor. pärimuslikud omadused. Vesinikkloriidhape. Halogeenide alarühma kuuluvad fluor, kloor, broom, jood ja astatiin (astatiin on radioaktiivne element, vähe uuritud). Need on VII rühma p-elemendid perioodiline süsteem D. I. Mendelejev. Välisel energiatasemel on nende aatomitel 7 elektroni ns2np5. See seletab nende omaduste ühisust.

Nad lisavad kergesti ühe elektroni korraga, näidates oksüdatsiooniastet -1. Halogeenidel on selline oksüdatsiooniaste vesiniku ja metallidega ühendites.

Kuid halogeeniaatomitel võivad lisaks fluorile olla ka positiivsed oksüdatsiooniastmed: +1, +3, +5, +7. Oksüdatsiooniastmete võimalikud väärtused on seletatavad elektroonilise struktuuriga, mida fluori aatomite puhul saab esitada skeemil

Kuna fluor on kõige elektronegatiivsem element, suudab ta vastu võtta ainult ühe elektroni 2p alamtaseme kohta. Sellel on üks paaritu elektron, seega on fluor ainult monovalentne ja oksüdatsiooniaste on alati -1.

Elektrooniline struktuur klooriaatomit väljendatakse skeemiga Klooriaatomil on 3p alamtasandil üks paaritu elektron ja kloori tavaline (ergastamata) olek on monovalentne. Kuid kuna kloor on kolmandas perioodis, on sellel veel viis 3d alamtasandi orbitaali, mis mahutavad 10 elektroni.

Fluoril puuduvad vabad orbitaalid, mis tähendab, et keemiliste reaktsioonide käigus ei toimu aatomis paariselektronide eraldumist. Seetõttu tuleks halogeenide omaduste kaalumisel alati arvestada fluori ja ühendite omadustega.

Halogeenide vesinikuühendite vesilahused on happed: HF - vesinikfluoriid (vesinikfluoriid), HCl - vesinikkloriid (vesinikkloriid), HBr - vesinikbromiid, HI - vesinikjodiid.

Kloor (lat. Chlorum), Cl, Mendelejevi perioodilisuse süsteemi VII rühma keemiline element, aatomnumber 17, aatommass 35,453; kuulub halogeenide perekonda. Normaaltingimustes (0°C, 0,1 MN/m2 või 1 kgf/cm2) terava ärritava lõhnaga kollakasroheline gaas. Looduslik kloor koosneb kahest stabiilsest isotoobist: 35Cl (75,77%) ja 37Cl (24,23%).

Kloori keemilised omadused. Cl-aatomi väline elektrooniline konfiguratsioon on 3s23p5. Vastavalt sellele on ühendites sisalduva kloori oksüdatsiooniastmed -1, +1, +3, +4, +5, +6 ja +7. Aatomi kovalentne raadius on 0,99Å, Cl ioonraadius on 1,82Å, klooriaatomi elektronafiinsus on 3,65 eV ja ionisatsioonienergia on 12,97 eV.

Keemiliselt on kloor väga aktiivne, ühineb vahetult peaaegu kõigi metallidega (mõnedega ainult niiskuse juuresolekul või kuumutamisel) ja mittemetallidega (va süsinik, lämmastik, hapnik, inertgaasid), moodustades vastavad kloriidid, reageerib. paljude ühenditega asendab vesiniku V küllastunud süsivesinikud ja liitub küllastumata ühenditega. Kloor tõrjub broomi ja joodi nende ühenditest vesiniku ja metallidega välja; nende elementidega klooriühenditest tõrjub see välja fluoriga. Leelismetallid niiskusjälgede olemasolul interakteeruvad klooriga süttimisel, enamus metalle reageerib kuiva klooriga ainult kuumutamisel Fosfor süttib kloori atmosfääris, moodustades РCl3 ja edasisel kloorimisel - РCl5; väävel koos klooriga annab kuumutamisel S2Cl2, SCl2 ja muud SnClm. Arseen, antimon, vismut, strontsium, telluur interakteeruvad jõuliselt klooriga. Kloori ja vesiniku segu põleb värvitu või kollakasrohelise leegiga, moodustades vesinikkloriidi (see on ahelreaktsioon). Kloor moodustab hapnikuga oksiide: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, Cl2O8, aga ka hüpokloritid (hüpokloorhappe soolad), kloritid, kloraadid ja perkloraadid. Kõik kloori hapnikuühendid moodustavad kergesti oksüdeeruvate ainetega plahvatusohtlikke segusid. Vees olev kloor hüdrolüüsitakse, moodustades hüpokloor- ja vesinikkloriidhapped: Cl2 + H2O = HClO + HCl. Leeliste vesilahuste külmas kloorimisel tekivad hüpokloritid ja kloriidid: 2NaOH + Cl2 \u003d NaClO + NaCl + H2O ja kuumutamisel - kloraadid. Kuiva kaltsiumhüdroksiidi kloorimisel saadakse valgendi. Kui ammoniaak reageerib klooriga, moodustub lämmastiktrikloriid. Orgaaniliste ühendite kloorimisel asendab kloor vesinikku või lisandub mitme sideme kaudu, moodustades erinevaid kloori sisaldavaid orgaanilisi ühendeid. Kloor moodustab teiste halogeenidega interhalogeenseid ühendeid. Fluoriidid ClF, ClF3, ClF3 on väga reaktsioonivõimelised; näiteks ClF3 atmosfääris süttib klaasvill spontaanselt. Tuntud on klooriühendid hapniku ja fluoriga - Kloori oksüfluoriidid: ClO3F, ClO2F3, ClOF, ClOF3 ja fluori perkloraat FClO4. Vesinikkloriidhape (vesinikkloriid, vesinikkloriid, vesinikkloriid) - HCl, vesinikkloriidi lahus vees; tugev ühealuseline hape. Värvitu (tehniline vesinikkloriidhape on Fe, Cl2 jne lisandite tõttu kollakas), õhus "suitsetav", söövitav vedelik. Maksimaalne kontsentratsioon 20 °C juures on 38 massiprotsenti. Vesinikkloriidhappe sooli nimetatakse kloriidideks.

Koostoime tugevate oksüdeerivate ainetega (kaaliumpermanganaat, mangaandioksiid) koos gaasilise kloori vabanemisega:

Koostoime ammoniaagiga paksu valge suitsu moodustumisega, mis koosneb väikseimatest ammooniumkloriidi kristallidest:

Kvalitatiivne reaktsioon vesinikkloriidhappele ja selle sooladele on selle interaktsioon hõbenitraadiga, mille käigus moodustub hõbekloriidi sade, mis ei lahustu lämmastikhappes:

===============================================================================

Vesiniku avastas 18. sajandi teisel poolel inglise füüsika ja keemia teadlane G. Cavendish. Tal õnnestus isoleerida aine puhtas olekus, ta hakkas seda uurima ja kirjeldas selle omadusi.

Selline on vesiniku avastamise ajalugu. Teadlane tegi katsete käigus kindlaks, et tegemist on põlevgaasiga, mille põlemisel õhus tekib vesi. See viis vee kvalitatiivse koostise määramiseni.

Mis on vesinik

Esimest korda kuulutas vesiniku lihtsa ainena prantsuse keemik A. Lavoisier 1784. aastal, kuna ta tegi kindlaks, et selle molekul sisaldab sama tüüpi aatomeid.

Keemilise elemendi nimi ladina keeles kõlab nagu hüdrogeenium (loe "hydrogenium"), mis tähendab "vee sünnitamist". Nimetus viitab põlemisreaktsioonile, mille käigus tekib vesi.

Vesiniku iseloomustus

Vesiniku tähistus N. Mendelejev määras selle keemiline element esimene järjekorranumber, paigutades selle esimese rühma ja esimese perioodi põhialagruppi ning tinglikult seitsmenda rühma põhialagruppi.

Vesiniku aatommass (aatommass) on 1,00797. H 2 molekulmass on 2 a. e. Molaarmass arvuliselt võrdne sellega.

Seda esindavad kolm erinimetusega isotoopi: kõige tavalisem protium (H), raske deuteerium (D) ja radioaktiivne triitium (T).

See on esimene element, mida saab täielikult isotoopideks eraldada. lihtsal viisil. See põhineb isotoopide suurel massierinevusel. Protsess viidi esmakordselt läbi 1933. aastal. Seda seletatakse asjaoluga, et alles 1932. aastal avastati isotoop massiga 2.

Füüsikalised omadused

Tavalistes tingimustes on kaheaatomiliste molekulide kujul olev lihtaine vesinik värvuseta gaas, millel pole maitset ega lõhna. Vees ja teistes lahustites vähe lahustuv.

Kristallisatsioonitemperatuur - 259,2 o C, keemistemperatuur - 252,8 o C. Vesinikumolekulide läbimõõt on nii väike, et neil on võime aeglaselt difundeeruda läbi mitmete materjalide (kumm, klaas, metallid). Seda omadust kasutatakse siis, kui see on vajalik vesiniku puhastamiseks gaasilistest lisanditest. Kell n. y. vesiniku tihedus on 0,09 kg/m3.

Kas vesinikku on võimalik muuta metalliks analoogselt esimeses rühmas asuvate elementidega? Teadlased on leidnud, et vesinik hakkab tingimustes, mil rõhk läheneb 2 miljonile atmosfäärile, neelama infrapunakiiri, mis näitab aine molekulide polariseerumist. Võib-olla muutub vesinik isegi kõrgemal rõhul metalliks.

See on huvitav: On oletatud, et hiidplaneetidel Jupiteril ja Saturnil on vesinik metalli kujul. Eeldatakse, et maakera poolt tekitatava ülikõrge rõhu tõttu on maa tuuma koostises ka metallilist tahket vesinikku.

Keemilised omadused

Nii lihtsad kui ka keerulised ained interakteeruvad vesinikuga keemiliselt. Kuid vesiniku madalat aktiivsust on vaja suurendada sobivate tingimuste loomisega - temperatuuri tõstmine, katalüsaatorite kasutamine jne.

Kuumutamisel reageerivad vesinikuga lihtsad ained nagu hapnik (O 2), kloor (Cl 2), lämmastik (N 2), väävel (S).

Kui süüdata õhus gaasitoru otsas puhas vesinik, põleb see ühtlaselt, kuid vaevumärgatavalt. Kui aga gaasi väljalasketoru asetatakse puhta hapniku atmosfääri, jätkub põlemine reaktsiooni tulemusel veepiiskade moodustumisega anuma seintele:

Vee põlemisega kaasneb suure hulga soojuse eraldumine. See on eksotermiline ühendireaktsioon, milles vesinik oksüdeeritakse hapniku toimel, moodustades oksiidi H 2 O. See on ka redoksreaktsioon, mille käigus vesinik oksüdeerub ja hapnik redutseeritakse.

Samamoodi toimub reaktsioon Cl2-ga vesinikkloriidi moodustumisel.

Lämmastiku koostoime vesinikuga nõuab kõrget temperatuuri ja kõrget rõhku, samuti katalüsaatori olemasolu. Tulemuseks on ammoniaak.

Väävliga reageerimise tulemusena tekib vesiniksulfiid, mille äratundmine hõlbustab mädamunadele iseloomulikku lõhna.

Vesiniku oksüdatsiooniaste nendes reaktsioonides on +1 ja allpool kirjeldatud hüdriidides on see 1.

Mõne metalliga reageerimisel tekivad hüdriidid, näiteks naatriumhüdriid - NaH. Mõnda neist keerukatest ühenditest kasutatakse nii rakettide kütusena kui ka termotuumaenergias.

Vesinik reageerib ka komplekskategooria ainetega. Näiteks vask(II)oksiidiga on valem CuO. Reaktsiooni läbiviimiseks juhitakse vaskvesinikku üle kuumutatud pulbrilise vask(II)oksiidi. Koostoime käigus muudab reaktiiv oma värvi ja muutub punakaspruuniks ning veepiisad settivad katseklaasi külmadele seintele.

Reaktsiooni käigus oksüdeerub vesinik, moodustades vee ja vask redutseeritakse oksiidist lihtaineks (Cu).

Kasutusvaldkonnad

Vesinikul on suur tähtsus inimestele ja leiab rakendust erinevates valdkondades:

1. IN keemiline tootmine- see on tooraine, teistes tööstusharudes - kütus. Ärge tehke ilma vesinikuta ning naftakeemia ja nafta rafineerimise ettevõteteta.
2. Elektrienergiatööstuses toimib see lihtne aine jahutusainena.
3. Mustmetallide ja värviliste metallide metallurgias on vesinikul redutseerija roll.
4. Selle abiga luuakse toodete pakkimisel inertne keskkond.
5. Farmaatsiatööstus kasutab vesinikperoksiidi tootmisel reagendina vesinikku.
6. Selle kerge gaasiga täidetakse meteoroloogilised sondid.
7. Seda elementi tuntakse ka rakettmootorite kütuse vähendamise ainena.

Teadlased ennustavad üksmeelselt, et vesinikkütusest saab energiasektori liider.

Vastuvõtt tööstuses

Tööstuses toodetakse vesinikku elektrolüüsi teel, mis allutatakse kloriididele või hüdroksiididele. leelismetallid vees lahustatud. Vesinikku on sel viisil võimalik saada ka otse veest.

Sel eesmärgil kasutatakse koksi või metaani muundamist auruga. Metaani lagunemine kõrgel temperatuuril tekitab ka vesinikku. Koksiahju gaasi veeldamist fraktsioneeriva meetodiga kasutatakse ka vesiniku tööstuslikuks tootmiseks.

Laboris saamine

Laboris kasutatakse vesiniku tootmiseks Kippi aparaati.

Reaktiivid on vesinikkloriid- või väävelhape ja tsink. Reaktsiooni tulemusena tekib vesinik.

Vesiniku leidmine looduses

Vesinik on universumi kõige levinum element. Suurem osa tähtedest, sealhulgas Päike ja muud kosmosekehad moodustab vesiniku.

IN maakoor see on ainult 0,15%. Seda leidub paljudes mineraalides, kõigis orgaanilistes ainetes, aga ka vees, mis katab 3/4 meie planeedi pinnast.

Ülemistes atmosfäärikihtides võib leida puhta vesiniku jälgi. Seda leidub ka paljudes põlevates maagaasides.

Gaasiline vesinik on meie planeedi kõige õhem ja vedel vesinik kõige tihedam aine. Vesiniku abil saate muuta hääle tämbrit, kui seda sisse hingate, ja rääkida väljahingamisel.

Kõige võimsamate tegevuse keskmes vesinikupomm seisneb kergeima aatomi lõhenemises.