• Oznaka - H (vodonik);
• Latinski naziv - Hydrogenium;
• Razdoblje - I;
• Grupa - 1 (Ia);
• Atomska masa - 1,00794;
• Atomski broj - 1;
• Atomski radijus = 53 pm;
• Kovalentni radijus = 32 pm;
• Raspodjela elektrona - 1s 1;
• temperatura topljenja = -259,14°C;
• tačka ključanja = -252,87°C;
• Elektronegativnost (prema Paulingu/prema Alpredu i Rochowu) = 2,02/-;
• Oksidacijsko stanje: +1; 0; -1;
• Gustina (br.) = 0,0000899 g/cm 3 ;
• Molarni volumen = 14,1 cm 3 /mol.

Binarna jedinjenja vodonika sa kiseonikom:

Vodonik („rađanje vode“) otkrio je engleski naučnik G. Cavendish 1766. godine. To je najjednostavniji element u prirodi - atom vodonika ima jezgro i jedan elektron, što je vjerovatno razlog zašto je vodonik najzastupljeniji element u svemiru (koji čini više od polovine mase većine zvijezda).

Za vodonik možemo reći da je "kalem je mali, ali skup." Uprkos svojoj "jednostavnosti", vodonik obezbeđuje energiju svim živim bićima na Zemlji - na Suncu se odvija kontinuirana termonuklearna reakcija tokom koje se od četiri atoma vodika formira jedan atom helija, ovaj proces je praćeno oslobađanjem kolosalne količine energije (za više detalja pogledajte Nuklearna fuzija).

IN zemljine kore maseni udio vodonika je samo 0,15%. U međuvremenu, ogromna većina (95%) svih hemijskih supstanci poznatih na Zemlji sadrži jedan ili više atoma vodika.

U jedinjenjima s nemetalima (HCl, H 2 O, CH 4 ...), vodik predaje svoj jedini elektron elektronegativnijim elementima, pokazujući oksidacijsko stanje +1 (češće), formirajući samo kovalentne veze(Vidi Kovalentna veza).

U jedinjenjima sa metalima (NaH, CaH 2 ...), vodonik, naprotiv, prihvata drugi elektron u svoju jedinu s-orbitalu, pokušavajući tako da dovrši svoj elektronski sloj, pokazujući oksidaciono stanje od -1 (rjeđe), često formiraju ionsku vezu (vidi Jonska veza), jer razlika u elektronegativnosti atoma vodika i atoma metala može biti prilično velika.

H 2

U gasovitom stanju, vodonik postoji u obliku dvoatomskih molekula, formirajući nepolarnu kovalentnu vezu.

Molekuli vodonika imaju:

• velika mobilnost;
• velika snaga;
• niska polarizabilnost;
• male veličine i težine.

Svojstva gasovitog vodonika:

• najlakši plin u prirodi, bez boje i mirisa;
• slabo topiv u vodi i organskim otapalima;
• rastvara se u malim količinama u tečnim i čvrstim metalima (posebno platini i paladijumu);
• teško se ukapljuje (zbog niske polarizabilnosti);
• ima najveću toplotnu provodljivost od svih poznatih gasova;
• kada se zagrije, reagira s mnogim nemetalima, pokazujući svojstva redukcijskog agensa;
• na sobnoj temperaturi reaguje sa fluorom (dolazi do eksplozije): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaguje sa metalima da formira hidride, pokazujući oksidaciona svojstva: H 2 + Ca = CaH 2 ;

U jedinjenjima, vodonik pokazuje svoja redukcijska svojstva mnogo jače od svojih oksidacijskih svojstava. Vodik je najmoćniji redukcijski agens nakon uglja, aluminija i kalcija. Redukciona svojstva vodika se široko koriste u industriji za proizvodnju metala i nemetala ( jednostavne supstance) od oksida i galida.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Reakcije vodika sa jednostavnim supstancama

Vodonik prihvata elektron, igrajući ulogu redukciono sredstvo, u reakcijama:

• With kiseonik(kada se zapali ili u prisustvu katalizatora), u omjeru 2:1 (vodik:kiseonik) nastaje eksplozivni detonirajući gas: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• With siva(kada se zagrije na 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• With hlor(kada se zapali ili ozrači UV zracima): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• With fluor: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
• With nitrogen(kada se zagrijava u prisustvu katalizatora ili pod visokim pritiskom): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Vodonik donira elektron, igrajući ulogu oksidaciono sredstvo, u reakcijama sa alkalna I alkalna zemlja metali sa stvaranjem metalnih hidrida - ionskih spojeva sličnih solima koji sadrže hidridne ione H - to su nestabilne bijele kristalne tvari.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Za vodonik nije tipično da pokazuje oksidacijsko stanje od -1. U reakciji s vodom, hidridi se raspadaju, redukujući vodu u vodik. Reakcija kalcijum hidrida sa vodom je sljedeća:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Reakcije vodonika sa složenim supstancama

• na visokim temperaturama, vodonik reducira mnoge metalne okside: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• metil alkohol se dobija reakcijom vodonika sa ugljičnim monoksidom (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• U reakcijama hidrogenacije, vodik reagira s mnogim organskim tvarima.

Jednačine hemijskih reakcija vodonika i njegovih spojeva detaljnije su obrađene na stranici „Vodonik i njegova jedinjenja – jednadžbe hemijskih reakcija koje uključuju vodonik“.

Primjena vodonika

• u nuklearnoj energiji koriste se izotopi vodika - deuterijum i tricij;
• u hemijskoj industriji vodik se koristi za sintezu mnogih organskih supstanci, amonijaka, hlorovodonika;
• u prehrambenoj industriji vodonik se koristi u proizvodnji čvrstih masti hidrogenacijom biljnih ulja;
• za zavarivanje i rezanje metala koristi se visoka temperatura sagorevanja vodonika u kiseoniku (2600°C);
• u proizvodnji nekih metala, vodonik se koristi kao redukciono sredstvo (vidi gore);
• pošto je vodonik lak gas, koristi se u aeronautici kao punilo za balone, aerostate i vazdušne brodove;
• Vodonik se koristi kao gorivo pomešano sa CO.

Naučnici u posljednje vrijeme posvećuju veliku pažnju potrazi za alternativnim izvorima obnovljive energije. Jedno od obećavajućih područja je „vodikova“ energija, u kojoj se kao gorivo koristi vodonik, čiji je produkt sagorijevanja obična voda.

Metode za proizvodnju vodonika

Industrijske metode za proizvodnju vodonika:

• konverzija metana (katalitička redukcija vodene pare) vodenom parom na visokoj temperaturi (800°C) na nikalnom katalizatoru: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• konverzija ugljen monoksida vodenom parom (t=500°C) na Fe 2 O 3 katalizatoru: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• termička razgradnja metana: CH 4 = C + 2H 2;
• gasifikacija čvrstih goriva (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• elektroliza vode (veoma skupa metoda koja proizvodi vrlo čist vodonik): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratorijske metode za proizvodnju vodonika:

• djelovanje na metale (obično cink) sa hlorovodoničnom ili razblaženom sumpornom kiselinom: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• interakcija vodene pare sa vrelim gvozdenim strugotinama: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Voda iz vatre! Čini se nevjerovatnim, ali je činjenica. A ovu činjenicu je prvi ustanovio (1781-1782) engleski naučnik Henry Cavendish. On je u zatvorenoj posudi spalio gas bez boje, ukusa i mirisa, koji se u to vreme zvao "zapaljivi vazduh", i otkrio da je produkt sagorevanja voda. U početku, Cavendish nije vjerovao u dobiveni rezultat, ali nakon što je izveo niz preciznih eksperimenata sa sagorijevanjem "zapaljivog zraka", uvjerio se da je produkt sagorijevanja samo voda, "koja nije imala ni okusa ni mirisa, a kada je isparila do suha , nije ostavio ni najmanji vidljivi trag.” .

Treba napomenuti da je još prije Cavendisha, izvanredni engleski prirodnjak D. Priestley uočio pojavu vlage tokom sagorijevanja i eksplozije mješavine "zapaljivog zraka", ali... nije tome posvetio dužnu pažnju.

Uprkos činjenici da je „zapaljivi vazduh“ bio poznat srednjovekovnom nemačkom lekaru i prirodoslovcu Paracelzusu (16. vek), a čuveni engleski hemičar, fizičar i filozof Robert Bojl je 1660. uspeo ne samo da dobije „zapaljivi vazduh“ iz sumporne kiseline i gvožđa. , ali i da ga sakupe u posudu, što ranije nisu mogli; jednostavna (elementarna) priroda ovog gasa utvrđena je tek 1783. godine.

Ove godine je francuski naučnik Antoine Laurent Lavoisier, želeći da testira Cavendishove eksperimente, sproveo precizne studije za proučavanje produkta sagorevanja "zapaljivog vazduha". Oni su potvrdili Cavendishove eksperimente - proizvod sagorijevanja "zapaljivog zraka" bila je samo voda. Lavoisier je to dokazao ne samo spaljivanjem "zapaljivog zraka", već i razlaganjem proizvoda njegovog sagorijevanja. Istina, razlog za analizu vode bila je potraga za jeftinim načinom proizvodnje vodika, koju je Lavoisier poduzeo po uputama Francuske akademije nauka u vezi s početkom razvoja aeronautike.

Zbog svoje sposobnosti da proizvodi vodu, "zapaljivi vazduh" je kasnije nazvan vodonik. Naučno ime vodonika - "hidrogenijum" dolazi od grčkih reči "hidor" - voda i "genao" - rađam, proizvodim. Dakle, naziv vodonika odražava njegovo glavno svojstvo - sposobnost stvaranja vode pri sagorijevanju.

Atomi vodika imaju najmanju težinu među svim atomima drugih kemijskih elemenata, pa stoga vodonik zauzima prvo mjesto u periodnom sistemu D.I. Mendelejeva.

Vodonik je jedan od najčešćih elemenata prirode; nalazi se svuda u svemiru - na Suncu, zvijezdama, u maglinama, u svemiru. Na Zemlji se najveći dio vodonika nalazi u vezano stanje u obliku raznih jedinjenja, uglavnom na površini zemlje u obliku vode. Ukupna količina vodonika u zemljinoj kori dostiže 1% težine zemljine kore.

U međuzvjezdanom prostoru atomi vodika se nalaze nekoliko stotina puta češće nego atomi svih ostalih elemenata zajedno. Vodonik prevladava nad ostalim elementima u atmosferama zvijezda i glavni je sastavni dio solarna atmosfera.

Važnost vodonika u Univerzumu je izuzetno velika, on igra posebnu ulogu, budući da je „kosmičko gorivo“ koje daje energiju zvijezdama, uključujući i Sunce.

U dubinama Sunca, gdje temperatura dostiže 20 miliona stepeni, a materija je pod pritiskom od osam milijardi atmosfera, atomi vodonika gube elektrone, a jezgra takvih atoma (protona) poprimaju brzine pri kojima se odvijaju nuklearne reakcije. Nuklearne reakcije koje se odvijaju na vrlo visokim temperaturama nazivaju se termonuklearne reakcije. Termonuklearna reakcija u kojoj se jezgro novog hemijskog elementa formira od 4 jezgra vodika - helijum , i izvor je sunčeve energije.

Obrazovanje helijum iz vodonika, kako je pokazao njemački naučnik Bethe, na Suncu se događa na mnogo složeniji način, ali konačni rezultat reakcije daje isti rezultat: umjesto 4 jezgra vodika pojavljuje se jezgro helijum . Energija koja se oslobađa tokom ove reakcije obezbeđuje zračenje ogromne količine toplote i svetlosti koju Sunce daje već mnogo milijardi godina. Da bismo zamislili količinu energije koju emituje Sunce, dovoljno je reći da bi za proizvodnju takve energije bilo potrebno 180.000.000 milijardi elektrana kapaciteta Volžske hidroelektrane.

Vodik u slobodnom stanju nalazi se na Zemlji u vulkanskim gasovima; biljke oslobađaju malu količinu vodonika. U atmosferi, čak iu njenim gornjim slojevima, vodonik se nalazi u malim količinama, koje ne prelaze 0,00005% zapremine.

U svom čistom obliku, vodonik je gas 14,45 puta lakši od vazduha, bez boje, mirisa i ukusa. Nije otrovno. Vodik difundira i difundira brže od svih drugih plinova i najbolji je provodnik topline (toplotna provodljivost vodika je 7 puta veća od zraka).

U prirodi se vodonik javlja u obliku tri izotopa: običnog vodonika, teškog i superteškog vodonika. Teški vodonik se nalazi u običnom vodoniku u malim količinama. Na svakih 5 hiljada atoma običnog vodonika dolazi 1 atom teškog vodonika. Od grčke riječi "deuteros", što znači drugi, teški vodonik, kao drugi izotop vodonika, naziva se deuterijum. Po analogiji s protonom, jezgro ovog atoma naziva se deuteron; često se naziva deuteron.

Deuterijum se označava ili latiničnim slovom D, ili se zadržava hemijska oznaka vodonika i, označavajući njegov maseni broj brojem 2, piše se H 2 .

Deuterijum se razlikuje od običnog vodonika po strukturi svog jezgra. Jezgro deuterija se sastoji od protona i neutrona, tako da je masa atoma deuterija 2 puta veća od mase običnog atoma vodika. Ovako oštro odstupanje u masama izotopa istog hemijskog elementa jedini je slučaj među poznatim izotopima različitih elemenata. Obični vodik, čiji su atomi najjednostavniji (sastoje se od jednog protona i jednog elektrona), od riječi "protos" - jednostavan - ponekad se naziva protij.

Voda u kojoj je protij zamijenjen deuterijumom naziva se teška. Razlikuje se od uobičajenog po svojim svojstvima. Dakle, teška voda ne smrzava se na 0°C, kao obična voda, već na +3,8°C, ključa ne na 100°C, već na 101,4°C i ima veću gustinu (1,1056) od obične vode; Život je nemoguć u teškoj vodi. Obična voda uvijek sadrži primjesu teške. Njegova količina je mala i iznosi 0,02% ukupne mase. Međutim, prikupljen sa svih strana svijeta, mogao bi napuniti rezervoar jednake veličine zapremini Crnog mora.

Teška voda se koristi u proizvodnji atomske energije u nuklearnim reaktorima kao supstanca koja umiruje neutrone.

Dobijanje teške vode u čistom obliku je dug i skup proces koji se zasniva na elektrolizi (razgradnji električnom strujom) vode, pri čemu se prvo razlažu molekuli „obične“ vode, dok se teška voda akumulira u ostatku. IN zapadna evropa Proizvodnju teške vode u industrijskim razmjerima prvi su izveli Nijemci tokom Drugog svjetskog rata u okupiranoj Norveškoj, koja je imala jeftinu hidroelektranu. Teška voda je bila namijenjena za stvaranje nove vrste oružja (atomske bombe) na koju se oslanjala komanda fašističkih armija poslednje nade. 28. februara 1943. norveški patrioti su zajedno sa britanskim padobrancima digli u vazduh radionicu teške vode. Posljednji napadi britanske avijacije na postrojenje natjerali su fašističku komandu da transportuje opremu i akumulirane zalihe vode u Njemačku. Dana 20. februara 1945. godine, norveški borci iz vojske otpora digli su u vazduh brod, uništivši 16 kubnih metara zajedno sa njegovom opremom. m teške vode.

Poznat je i treći "superteški" izotop. Tricijum - ovaj izotop se zove od latinske riječi "tritium" - treći. Može se dobiti umjetno kao rezultat nuklearnih reakcija, na primjer, "pucanjem" neutrona na atome lakih metala litijum . Jezgra atoma tricijuma sadrže dva neutrona i jedan proton. U prirodi je obilje tricijuma zanemarljivo. Na svaku milijardu milijardi atoma običnog vodonika dolazi jedan atom tricijuma. Tricij je radioaktivni izotop vodonika. Emituje beta čestice i pretvara se u izotop helijum sa atomskom težinom 3. Poluživot tricijuma je oko 12,5 godina.

Grupa italijanskih fizičara, proučavajući nekoliko hiljada slika nuklearnih reakcija, otkrila je četvrtog "brata" u porodici atoma vodika (njegova atomska težina je 4). Koliko je težak bio zadatak otkrivanja" superheavy"vodonik, kaže da je njegov životni vijek jednak 0,00000000001 frakcija sekunde.

Uz obične molekule vodika koji se sastoje od dva atoma, pretpostavlja se da je moguće dobiti i troatomski molekul - hisonijum. Moguće je da je hisonijum kratkotrajan kao " superheavy"vodonik.

Praktična upotreba vodonika je raznolika. Kao najlakši gas, koristi se za punjenje školjki balona, ​​meteoroloških balona, ​​stratosferskih balona i drugih aeronautičkih vozila. Istorija aeronautike, počevši od balona na vrući vazduh od 18 cc. m, koju je stvorio francuski fizičar Charles, za džinovske kontrolirane zračne brodove njemačkog dizajnera Zeppelina, neraskidivo je povezan s vodonikom. Međutim, zapaljivost vodonika i njegova laka zapaljivost iz slučajnih i teško otklonivih uzroka (munja, varnice pri naelektrisanju trenjem, itd.) ograničavale su mogućnosti njegove upotrebe u aeronautici.

Sa vedrog neba bez oblaka na najneočekivanijim mjestima u Sjedinjenim Državama tokom Drugog svjetskog rata padale su bombe, čule su se eksplozije, plamtjele vatre. Ali čak je i američka štampa, pohlepna za senzacijom, šutjela o ovim misterioznim napadima, bez signala za uzbunu i neprijateljskih aviona u zraku. Prije samo nekoliko godina objavljeno je da su ova misteriozna bombardovanja izvedena balonima lansiranim sa japanskih ostrva. Pušteno je više od hiljadu takvih balona.

U hemijskoj industriji vodonik služi kao polazni materijal za proizvodnju razne supstance(amonijak, čvrste masti, itd.). Visoka temperatura sagorevanja vodonika (do 2500°C) u kiseonik koristi se sa specijalnim plamenicima za topljenje kvarca, vatrostalnih metala, rezanje čeličnih ploča, itd.

Ideja o motoru sa unutrašnjim sagorevanjem koji koristi vodonik kao gorivo veoma je primamljiva zbog svoje niske cene. Takav motor, koji troši vodonik i zrak, emituje vodu kao produkt sagorijevanja.

Da biste dobili vodonik kao gorivo, potrebna vam je samo... voda. Rezerve vode - glavne "sirovine" za proizvodnju vodonika - su na globus bukvalno neiscrpna i iznosi 2 milijarde milijardi tona. Neiscrpna je i energija tekuće vode velikih rijeka koja, pretvorena u elektranama u električnu energiju, može poslužiti za dobijanje vodonika iz vode razlaganjem električnom strujom.

Napredak u atomskoj fizici i hemiji otvorio je put mogućnosti korištenja izotopa vodika u praktične svrhe. Nažalost, ove sposobnosti su prvenstveno korištene u vojne svrhe, za stvaranje hidrogenske bombe.

IN hidrogenska bomba koristi se energija termonuklearne reakcije (između deuterija i tricija), što dovodi do stvaranja helijum i oslobađanje neutrona. Da bi započela reakcija između izotopa vodonika, oni moraju biti zagrijani na ultravisoke temperature reda od najmanje 10 miliona stepeni. Ova temperatura nastaje kada atomska bomba eksplodira, koja igra ulogu fitilja u hidrogenskoj bombi.

Hidrogenska bomba je moćnija od atomske bombe. Poenta je da u atomska bomba količina atomskog eksplozivnog materijala je ograničena i ne može preći određenu tzv kritična masa; U hidrogenskoj bombi količina eksploziva (mješavina vodonikovih izotopa) nije ograničena.

Naelektrisanje jezgra atoma vodonika je jednako 1 i stoga je u periodnom sistemu broj 1. Vodonik se nalazi u prvom periodu, gde postoje samo dva hemijska elementa H i He. Kapacitet prvog elektronskog sloja je 2 i stoga atomi helijuma imaju kompletnu elektronsku ljusku, a He je analog plemenitih gasova (Ne, Ar, Kr, Xe i Rn). Atom vodonika ima jedan elektron i njegov elektronska konfiguracija 1s1. U reakcijama oksidacije ili redukcije, atom vodika može dobiti ili izgubiti jedan elektron. Šta (prema grupama periodnog sistema) mogu imati monovalentni analozi vodonika? Prije svega, to su alkalni metali, čiji atomi također imaju 1 s elektron u vanjskom elektronskom sloju. Osim toga, metalna svojstva hemijskih elemenata se smanjuju kada se kreću kroz grupe u periodnom sistemu odozdo prema gore, što znači da se nemetalna svojstva povećavaju. I, ako klasifikujemo vodonik kao prvu grupu, on može imati slaba nemetalna svojstva? Da, smatra se najslabijim nemetalom. Dakle, stavljanje vodonika u prvu grupu nije u suprotnosti sa logikom periodnog sistema.

Treba da dovršite atom vodonika elektronska školjka nedostaje samo jedan elektron, tako da pri interakciji sa aktivni metali(alkalna i zemnoalkalna) atom vodika nastoji da prikači svoj vanjski valentni elektron za sebe i time se ponaša kao atom halogena. I primljeno jedinjenja vodonika(metalni hidridi - MeH) su slični halogenim jedinjenjima sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima. Dakle, oni su soli? Po izgledu, fizičkim svojstvima i sposobnosti vođenja električne struje u rastopljenom stanju, hidridi metala podsjećaju na kloride odgovarajućih metala. Kada se krećete u grupi, nemetalna svojstva hemijskih elemenata se povećavaju odozdo prema gore. Tada bi vodik trebao biti najaktivniji nemetal. Ovo je pogrešno. Najaktivniji nemetal je fluor. Pošto svojstva vodonika donekle podsjećaju na svojstva halogena, onda bi se uslovno (u zagradama) mogao staviti u 7. grupu iznad fluora.

Postoje udžbenici u kojima je ćelija u prvom periodu, namenjena vodoniku, napravljena od sedam ćelija veličine - od Li do F - a vodonik se smatra analogom svih sedam elemenata 2. perioda odjednom. Teško se može složiti s ovim, budući da je vodonik u svim svojim spojevima jednovalentan, a za elemente grupa 2 - 6 nije tipična valencija 1.

Posebno ne predstavljamo ovaj materijal na kategoričan način, kao što se obično pišu udžbenici za školarce, već u obliku diskusije. Hemija kao nauka je tek u povoju i razvoju. I nema potrebe da se plašite „kontradikcija“ u različitim udžbenici u hemiji. Morate pokušati razumjeti stajalište autora, razumjeti njegove argumente i nastojati da formirate vlastito utemeljeno mišljenje.

Vodonik(lat. hydrogenium), H, hemijski element, prvi po serijskom broju u periodnom sistemu Mendeljejeva; atomska masa 1,00797. U normalnim uslovima, V. je gas; nema boju, miris i ukus.

Istorijska referenca. U delima hemičara 16. i 17. veka. Oslobađanje zapaljivog plina kada kiseline djeluju na metale je više puta spominjano. Godine 1766 Cavendish prikupio i proučavao oslobođeni gas, nazvavši ga "zapaljivim vazduhom". Biti zagovornik teorije phlogiston, Cavendish je vjerovao da je ovaj plin čisti flogiston. Godine 1783 A. Lavoisier analizom i sintezom vode dokazao je složenost njenog sastava, a 1787. je identifikovao „zapaljivi vazduh“ kao novi hemijski element (V.) i dao mu moderno ime hydroge ne (od grčkog h y d o r - voda i genn a o - Rađam), što znači „rađati vodom“; ovaj korijen se koristi u nazivima spojeva V. i procesa s njegovim učešćem (na primjer, hidridi, hidrogenacija). Moderno rusko ime "V." predložio je M. F. Solovjov 1824.

Prevalencija u prirodi . V. je rasprostranjen u prirodi, njegov sadržaj u zemljinoj kori (litosferi i hidrosferi) iznosi 1% po masi i 16% po broju atoma. V. je dio najzastupljenije tvari na Zemlji - vode (11,19% V. po težini), u sastavu jedinjenja koja čine ugalj, naftu, prirodne plinove, glinu, kao i životinjske i biljne organizme (tj. u sastavu proteina, nukleinske kiseline, masti, ugljeni hidrati itd.). U slobodnom stanju, V. je izuzetno rijedak, nalazi se u malim količinama u vulkanskim i drugim prirodnim plinovima. Manje količine slobodnog vodonika (0,0001% po broju atoma) su prisutne u atmosferi. U prostoru blizu Zemlje, energija u obliku toka protona formira unutrašnji („proton“) Zemljin radijacioni pojas. U svemiru, V. je najčešći element. As plazmačini otprilike polovinu mase Sunca i većine zvijezda, najveći dio gasova međuzvjezdanog medija i gasovitih maglina. V. je prisutan u atmosferi brojnih planeta i u kometama u obliku slobodnog h 2, metana ch 4, amonijaka nh 3, vode h 2 o, radikala kao što su ch, nh, oh, sih, ph, itd. . U obliku toka protona, energija je dio korpuskularnog zračenja Sunca i kosmičkih zraka.

Izotopi, atom i molekula. Obični V. se sastoji od mješavine dva stabilna izotopa: lakog V., ili protijuma (1 h), i teškog V., ili deuterijum(2 h ili d). U prirodnim jedinjenjima ima u prosjeku 6800 atoma od 1 h po 1 atomu od 2 h. Radioaktivni izotop je umjetno dobiven - superteški V., ili tricijum(3 h, ili T), sa mekim?-zračenjem i poluživotom t 1/2= 12.262 godine. U prirodi se tricij formira, na primjer, iz atmosferskog dušika pod utjecajem neutrona kosmičkih zraka; u atmosferi je zanemarljiv (4 10 -15% od ukupan broj atomi V.). Dobijen je izuzetno nestabilan izotop 4 h. Maseni brojevi izotopa 1 h, 2 h, 3 h i 4 h, odnosno 1,2, 3 i 4, ukazuju da jezgro atoma protijuma sadrži samo 1 proton, deuterijum - 1 proton i 1 neutron, tricijum - 1 proton i 2 neutrona, 4 h - 1 proton i 3 neutrona. Velika razlika u masama izotopa V. određuje uočljiviju razliku u njihovim fizičkim i hemijskim svojstvima nego u slučaju izotopa drugih elemenata.

Atom V. ima najjednostavniju strukturu među atomima svih ostalih elemenata: sastoji se od jezgra i jednog elektrona. Energija veze elektrona sa jezgrom (jonizacioni potencijal) je 13,595 ev. Neutralni atom također može dodati drugi elektron, formirajući negativni ion H -; u ovom slučaju, energija veze drugog elektrona sa neutralnim atomom (afinitet elektrona) je 0,78 ev. Kvantna mehanika omogućava vam da izračunate sve moguće nivoe energije atoma V., i stoga, date njegovu potpunu interpretaciju atomski spektar. V atom se koristi kao model atoma u kvantnim mehaničkim proračunima energetskih nivoa drugih, složenijih atoma. Molekul B. h 2 sastoji se od dva atoma povezana kovalentom hemijska veza. Energija disocijacije (tj. raspad na atome) je 4,776 ev(1 ev= 1,60210 10 -19 j). Međuatomska udaljenost u ravnotežnom položaju jezgara je 0,7414 a. Na visokim temperaturama, molekularni vodonik disocira na atome (stepen disocijacije na 2000°C je 0,0013, na 5000°C 0,95). Atomska V. se također formira u raznim hemijske reakcije(na primjer, učinak zn na hlorovodoničnu kiselinu). Međutim, postojanje V. u atomskom stanju traje samo kratko; atomi se rekombinuju u molekule h 2.

Fizički i Hemijska svojstva . V. je najlakša od svih poznatih supstanci (14,4 puta lakša od vazduha), gustina 0,0899 g/l na 0°C i 1 atm. Helijum ključa (utečnjuje) i topi se (učvršćuje), respektivno, na -252,6°C i -259,1°C (samo helijum ima niže tačke topljenja i ključanja). Kritična temperatura vode je vrlo niska (-240°C), pa je njeno ukapljivanje ispunjeno velikim poteškoćama; kritični pritisak 12.8 kgf/cm 2 (12,8 atm), kritična gustina 0,0312 g/cm 3. Od svih gasova, V. ima najveću toplotnu provodljivost, jednaku na 0°C i 1 atm 0,174 uto/(m· TO), odnosno 4,16 0 -4 cal/(With· cm· °C). Specifični toplotni kapacitet V. na 0°C i 1 atmS p 14.208 10 3 j/(kg· TO), odnosno 3.394 cal/(G· °C). V. je slabo rastvorljiv u vodi (0,0182 ml/g na 20°C i 1 atm), ali dobar - u mnogim metalima (ni, pt, pd, itd.), posebno u paladiju (850 volumena na 1 volumen pd). V.-ova rastvorljivost u metalima je povezana sa njegovom sposobnošću da difunduje kroz njih; Difuzija kroz leguru ugljika (na primjer, čelik) ponekad je praćena uništavanjem legure zbog interakcije ugljika s ugljikom (tzv. dekarbonizacija). Tečnost V. je veoma lagana (gustina na -253°C 0,0708 g/cm 3) i fluid (viskoznost na -253°C 13.8 spoise).

U većini jedinjenja, V. pokazuje valenciju (tačnije, oksidaciono stanje) +1, kao natrijum i drugi alkalni metali; obično se smatra analogom ovih metala, vodeći 1 gram. Mendeljejevljev sistem. Međutim, u metalnim hidridima B ion je negativno nabijen (oksidacijsko stanje -1), tj. hidrid na + h - izgrađen je slično kloridu na + cl -. Ove i neke druge činjenice (sličnost fizičkih svojstava V. i halogena, sposobnost halogena da zamjene V. u organskim jedinjenjima) daju osnovu da se V. svrsta i u VII grupu periodnog sistema. U normalnim uslovima, molekularni V. je relativno malo aktivan, direktno se kombinujući samo sa najaktivnijim od nemetala (sa fluorom, a na svetlosti sa hlorom). Međutim, kada se zagrije, reagira s mnogim elementima. Atomska V. ima povećanu hemijsku aktivnost u poređenju sa molekularnom. Sa kiseonikom V. formira vodu: h 2 + 1 / 2 o 2 = h 2 o sa oslobađanjem 285.937 10 3 J/mol, odnosno 68.3174 kcal/mol toplote (na 25°C i 1 atm). Na normalnim temperaturama reakcija teče izuzetno sporo, iznad 550°C eksplodira. Granice eksplozivnosti smeše vodonik-kiseonik su (po zapremini) od 4 do 94% h2, a mešavine vodonika i vazduha - od 4 do 74% h2 (mešavina 2 zapremine h2 i 1 zapremine O2 se naziva eksplozivni gas). V. se koristi za redukciju mnogih metala, jer uklanja kisik iz njihovih oksida:

cuo +H 2 = cu + h 2 o,

fe 3 o 4 + 4h 2 = 3fe + 4h 2 o, itd.

Sa halogenima, V. formira vodonik halogenide, na primjer:

h 2 + cl 2 = 2hcl.

Istovremeno, V. eksplodira sa fluorom (čak i u mraku i na -252°C), reaguje sa hlorom i bromom samo kada je osvetljen ili zagrejan, a sa jodom samo kada se zagreje. V. reaguje sa azotom i formira amonijak: 3h 2 + n 2 = 2nh 3 samo na katalizatoru i na povišenim temperaturama i pritiscima. Kada se zagreje, V. snažno reaguje sa sumporom: h 2 + s = h 2 s (vodonik sulfid), mnogo teže sa selenom i telurom. V. može reagovati sa čistim ugljenikom bez katalizatora samo na visokim temperaturama: 2h 2 + C (amorfni) = ch 4 (metan). V. direktno reaguje sa nekim metalima (alkalnim, zemnoalkalnim itd.), formirajući hidride: h 2 + 2li = 2lih. Bitan praktični značaj imaju reakcije ugljičnog monoksida sa ugljičnim monoksidom, u kojima nastaju različiti oblici u zavisnosti od temperature, pritiska i katalizatora organska jedinjenja, na primjer hcho, ch 3 oh, itd. Nezasićeni ugljikovodici reagiraju s vodikom, pretvarajući se u zasićene, na primjer:

c n h 2 n + h 2 = c n h 2 n +2.

Uloga V. i njenih spojeva u hemiji je izuzetno velika. V. određuje kisela svojstva takozvanih protonskih kiselina. V. teži da sa nekim elementima formira tzv vodoničnu vezu, koji ima odlučujući uticaj na svojstva mnogih organskih i neorganskih jedinjenja.

Potvrda . Glavne vrste sirovina za industrijsku proizvodnju V. - prirodni zapaljivi gasovi, gas koksne peći(cm. Hemija koksa) I gasovi za preradu nafte, kao i proizvodi gasifikacije čvrstih i tečnih goriva (uglavnom uglja). V. se takođe dobija od vode elektroliza (na mjestima sa jeftinom strujom). Najvažnije metode za proizvodnju vodonika iz prirodnog gasa su katalitička interakcija ugljovodonika, uglavnom metana, sa vodenom parom (konverzija): ch 4 + h 2 o = co + 3h 2, i nepotpuna oksidacija ugljovodonika kiseonikom: ch 4 + 1/2 o 2 = co + 2h 2 . Dobijeni ugljen monoksid takođe prolazi kroz konverziju: co + h 2 o = co 2 + h 2. V., vađen iz prirodnog gasa, najjeftiniji je. Vrlo česta metoda za proizvodnju energije je iz vode i paro-vazduh gasova dobijenih gasifikacijom uglja. Proces se zasniva na konverziji ugljen monoksida. Vodeni gas sadrži do 50% h 2 i 40% co; u parno-vazdušnom gasu, pored h 2 i co, postoji značajna količina n 2, koja se zajedno sa dobijenom V. koristi za sintezu nh 3. V. se izoluje od gasa iz koksnih peći i gasova za preradu nafte uklanjanjem preostalih komponenti gasne mešavine, koje se lakše ukapljuju od V. tokom dubokog hlađenja. Elektroliza vode se provodi jednosmjernom strujom, propuštajući je kroz otopinu koh ili naoh (kiseline se ne koriste da bi se izbjegla korozija čelične opreme). U laboratorijama se V. dobija elektrolizom vode, kao i reakcijom između cinka i hlorovodonične kiseline. Međutim, češće koriste gotove tvorničke V. u cilindrima.

Aplikacija . V. je počeo da se proizvodi u industrijskim razmerama krajem 18. veka. za punjenje balona. Trenutno se V. široko koristi u hemijskoj industriji, uglavnom za proizvodnju amonijak. Veliki potrošač alkohola je i proizvodnja metilnih i drugih alkohola, sintetičkog benzina (syntin) i drugih proizvoda dobivenih sintezom od alkohola i ugljičnog monoksida. V. se koristi za hidrogenaciju čvrstih i teških tečnih goriva, masti i dr., za sintezu hCl, za hidrotretman naftnih derivata, u zavarivanju i rezanju metala kiseonik-vodikovim plamenom (temperatura do 2800° C) i u zavarivanje atomskim vodonikom(do 4000°C). Izotopi vodika, deuterijuma i tricijuma, našli su vrlo važnu primjenu u nuklearnoj energiji.

Lit.: Nekrasov B.V., Kurs opšta hemija, 14. izd., M., 1962; Remi G., Kurs neorganske hemije, trans. sa njemačkog, tom 1, M., 1963; Egorov A.P., Shereshevsky D.I., Shmanenkov I.V., Opšta hemijska tehnologija neorganskih supstanci, 4. izdanje, M., 1964; Opća hemijska tehnologija. Ed. S. I. Volfkovich, tom 1, M., 1952; Lebedev V.V., Vodonik, njegova proizvodnja i upotreba, M., 1958; Nalbandjan A. B., Voevodsky V. V., Mehanizam oksidacije i sagorevanja vodonika, M. - L., 1949; Kratka hemijska enciklopedija, tom 1, M., 1961, str. 619-24.

Uvod

Vodonik (Hudrogenium) je u prvoj polovini 16. veka otkrio nemački lekar i prirodnjak Paracelzus. Godine 1776, Cavendish (Engleska) je uspostavio svoja svojstva i ukazao na njegove razlike od drugih plinova. Vodonik ima tri izotopa: protij NaH, deuterijum IH ili D, tricijum IH ili T. Njihovi maseni brojevi su 1, 2 i 3. Procijum i deuterijum su stabilni, tricijum je radioaktivan (vreme poluraspada 12,5 godina). U prirodnim jedinjenjima, deuterijum i protij su sadržani u prosjeku u omjeru od 1:6800 (na osnovu broja atoma). Tricijum se u prirodi nalazi u zanemarljivim količinama.

Jezgro atoma vodika NaH sadrži jedan proton. Jezgro deuterija i tritijuma uključuje ne samo proton, već i jedan ili dva neutrona. Molekul vodonika sastoji se od dva atoma. Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu vodika:

Energija atomske jonizacije, eV 13,60

Atomski elektronski afinitet, eV 0,75

Relativna elektronegativnost 2.1

Atomski radijus, nm 0,046

Međunuklearna udaljenost u molekulu, nm 0,0741

Standardna entalpija disocijacije molekula na 25°C 436.1

Vodonik. Položaj vodonika u periodnom sistemu D.I. Mendeljejev

Na samom kraju 18. i ranom 19. vijeku, hemija ulazi u period uspostavljanja kvantitativnih zakona: 1803. formulisan je zakon višestrukih odnosa (supstance međusobno reaguju u težinskim odnosima koji su višestruki od hemijskih ekvivalenata), a 1814. prva tabela u istoriji hemijske nauke je objavljena relativne atomske težine elemenata. U ovoj tabeli vodonik je na prvom mestu, i atomske mase ostali elementi su izraženi brojevima bliskim cijelim brojevima.

Poseban položaj koji je vodik zauzimao od samog početka nije mogao ne privući pažnju naučnika, a 1841. hemičari su se mogli upoznati s teorijom Williama Prouta, koji je razvio teoriju starogrčkih filozofa o jedinstvu svijeta i sugerirao da su svi elementi formirani od vodonika kao najlakšeg elementa. Proutu je prigovorio J.Ya. Berzelius, koji se upravo bavio razjašnjavanjem atomskih težina: iz njegovih eksperimenata je slijedilo da atomske težine elemenata nisu u cjelobrojnim omjerima prema atomskoj težini vodika. Ali, prigovorili su Proutovi pristalice, atomske težine još nisu dovoljno precizno određene i, kao primjer, naveli su eksperimente Jeana Stasa, koji je 1840. korigirao atomsku težinu ugljika sa 11,26 (ovu vrijednost je ustanovio Berzelius) na 12,0 .

Pa ipak, Proutova privlačna hipoteza je morala biti napuštena na neko vrijeme: ubrzo je isti Stas, pažljivim i neupitnim istraživanjem, ustanovio da je, na primjer, atomska težina hlora 35,45, tj. da se ni na koji način ne može izraziti kao broj koji je višekratnik atomske težine vodonika...

Ali 1869. Dmitrij Ivanovič Mendeljejev je stvorio svoju periodičnu klasifikaciju elemenata, bazirajući je na atomskim težinama elemenata kao njihovoj najosnovnijoj karakteristici. I naravno, vodonik je bio prvi u sistemu elemenata.

Sretno otvaranje periodični zakon stadu je to jasno hemijski elementičine jednu seriju, čija je konstrukcija podložna nekom unutrašnjem obrascu. I to nije moglo a da ne oživi Proutovu hipotezu, iako u malo izmijenjenom obliku: 1888. William Crookes je sugerirao da su svi elementi, uključujući vodik, nastali zbijanjem neke primarne materije, koju je nazvao protil. A budući da protil, zaključio je Crookes, očigledno ima vrlo malu atomsku težinu, onda je pojava frakcijskih atomskih težina razumljiva.

Ali evo šta je zanimljivo. I samog Mendeljejeva neobično je zanimalo pitanje: zašto? periodni sistem treba li početi sa vodonikom? Šta sprečava postojanje elemenata čija je atomska težina manja od jedan? I kao takav element 1905. godine Mendeljejev je nazvao... „svetski eter“. Štaviše, on ga stavlja u nultu grupu iznad helijuma i izračunava njegovu atomsku težinu - 0,000001! Inertni plin sa tako malom atomskom težinom trebao bi biti, prema Mendeljejevu, sveprožimajući, a njegove elastične vibracije bi mogle objasniti svjetlosne pojave...

Nažalost, predviđanju ovog velikog naučnika nije bilo suđeno da se ostvari. Ali Mendeljejev je bio u pravu u tome što elementi nisu izgrađeni od identičnih čestica: sada znamo da su izgrađeni od protona, neutrona i elektrona.

Ali oprostite, uzviknete, jer proton je jezgro atoma vodika. Dakle, Prout je ipak bio u pravu? Da, on je zaista bio u pravu na svoj način. Ali to je, da tako kažem, bilo prerano ispravno, jer se tada nije moglo ni potvrditi ni istinski opovrgnuti...

Međutim, sam vodonik je igrao značajnu ulogu u istoriji razvoja naučne misli. Godine 1913. Niels Bohr je formulisao svoje čuvene postulate, koji su na osnovu toga objasnili kvantna mehanika karakteristike strukture atoma i unutrašnja suština zakona periodičnosti. A Bohrova teorija je bila priznata jer se spektar vodika izračunat na njenoj osnovi potpuno poklapao s promatranim.