Plik wodór Jest to pierwiastek chemiczny reprezentowany przez symbol H. Jego atom jest najmniejszy ze wszystkich i od niego zaczyna się układ okresowy, bez względu na to, gdzie się znajduje. Składa się z bezbarwnego gazu złożonego z dwuatomowych cząsteczek H.dwa, a nie przez pojedyncze atomy H; jak to bywa z gazami szlachetnymi m.in. He, Ne, Ar.
Ze wszystkich pierwiastków jest prawdopodobnie najbardziej emblematycznym i wybitnym, nie tylko ze względu na swoje właściwości w warunkach ziemskich lub drastycznych, ale także ze względu na ogromną obfitość i różnorodność jego związków. Wodór jest gazem, choć obojętnym w przypadku braku ognia, łatwopalnym i niebezpiecznym; podczas gdy woda, H.dwaLub jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem i życiem.
Wodór sam w sobie nie wykazuje żadnych wizualnych osobliwości godnych podziwu, będąc po prostu gazem przechowywanym w butlach lub czerwonych butlach. Jednak to właśnie jego właściwości i zdolność wiązania się ze wszystkimi pierwiastkami sprawiają, że wodór jest wyjątkowy. A wszystko to pomimo tego, że ma tylko jeden elektron walencyjny.
Gdyby wodór nie był przechowywany w odpowiednich cylindrach, uciekałby w kosmos, podczas gdy znaczna jego część reaguje podczas wznoszenia. I chociaż ma bardzo niskie stężenie w powietrzu, którym oddychamy, poza Ziemią i resztą Wszechświata, jest pierwiastkiem najobficiej występującym w gwiazdach i uważanym za jednostkę jego budowy..
Z drugiej strony na Ziemi stanowi około 10% jego całkowitej masy. Aby wyobrazić sobie, co to oznacza, należy wziąć pod uwagę, że powierzchnia planety jest praktycznie pokryta oceanami i że wodór znajduje się w minerałach, ropie naftowej i wszelkich związkach organicznych, oprócz tego, że jest częścią wszystkich żywych istot..
Podobnie jak węgiel, wszystkie biocząsteczki (węglowodany, białka, enzymy, DNA itp.) Mają atomy wodoru. Dlatego istnieje wiele źródeł, z których można je wydobywać lub wytwarzać; jednak niewiele z nich reprezentuje naprawdę opłacalne metody produkcji.
Indeks artykułów
Chociaż w 1671 roku Robert Boyle po raz pierwszy był świadkiem gazu, który powstał w wyniku reakcji opiłków żelaza z kwasami, to brytyjski naukowiec Henry Cavendish w 1766 roku zidentyfikował go jako nową substancję; „powietrze łatwopalne”.
Cavendish odkrył, że kiedy to rzekomo łatwopalne powietrze spłonęło, wytworzyła się woda. Bazując na swojej pracy i wynikach, francuski chemik Antoine Lavoisier nadał temu gazowi nazwę wodoru w 1783 r. Etymologicznie jego znaczenie wywodzi się od greckich słów „hydro” i „genes”: formowanie wody.
Wkrótce potem, w 1800 roku, amerykańscy naukowcy William Nicholson i Sir Anthony Carlisle odkryli, że woda może rozkładać się na wodór i tlen; odkryli elektrolizę wody. Później, w 1838 roku, szwajcarski chemik Christian Friedrich Schoenbein przedstawił pomysł wykorzystania spalania wodoru do wytwarzania energii elektrycznej.
Popularność wodoru była tak wielka, że nawet pisarz Jules Verne nazwał go paliwem przyszłości w swojej książce Tajemnicza wyspa (1874).
W 1899 r. Szkocki chemik James Dewar jako pierwszy wyodrębnił wodór jako skroplony gaz, będąc tym, który był w stanie go wystarczająco schłodzić, aby uzyskać go w fazie stałej..
Od tego momentu historia wodoru przedstawia dwa kanały. Z jednej strony jego rozwój w dziedzinie paliw i baterii; az drugiej strony zrozumienie struktury atomu i tego, jak reprezentował pierwiastek, który otworzył drzwi do fizyki kwantowej.
Atomy wodoru są bardzo małe i mają tylko jeden elektron do tworzenia wiązań kowalencyjnych. Kiedy dwa z tych atomów łączą się, tworzą dwuatomową cząsteczkę Hdwa; to jest wodór cząsteczkowy (górne zdjęcie). Każda biała kula odpowiada pojedynczemu atomowi H, a globalna kula - orbitalom molekularnym.
Tak więc wodór w rzeczywistości składa się z cząsteczek H.dwa bardzo małe, które oddziałują za pomocą londyńskich sił dyspersyjnych, ponieważ brakuje im momentu dipolowego, ponieważ są homojądrowe. Dlatego są bardzo „niespokojne” i szybko rozprzestrzeniają się w kosmosie, ponieważ nie istnieją siły międzycząsteczkowe wystarczająco silne, aby je spowolnić..
Konfiguracja elektronowa wodoru to po prostu 1s1. Ten orbital 1s jest wynikiem rozwiązania słynnego równania Schrödingera dla atomu wodoru. W Hdwa dwa orbitale 1s zachodzą na siebie, tworząc dwa orbitale molekularne: jeden wiążący i jeden anty-wiążący, zgodnie z teorią orbitali molekularnych (TOM).
Te orbitale pozwalają lub wyjaśniają istnienie jonów H.dwa+ lub H.dwa-; jednakże chemia wodoru w normalnych warunkach jest określona przez Hdwa lub jony H.+ lub H.-.
Z konfiguracji elektronów wodoru, 1s1, jego możliwe stopnie utlenienia są bardzo łatwe do przewidzenia; mając oczywiście na uwadze, że orbital 2s o wyższej energii nie jest dostępny dla wiązań chemicznych. Zatem w stanie podstawowym wodór ma stopień utlenienia 0, H0.
Jeśli straci swój jedyny elektron, orbital 1s pozostaje pusty i powstaje jon wodorowy lub kation H.+, wysoce mobilny w prawie każdym płynnym medium; zwłaszcza woda. W tym przypadku jego stopień utlenienia wynosi +1.
A gdy stanie się odwrotnie, to znaczy zdobędzie elektron, orbital będzie miał teraz dwa elektrony i stanie się 1sdwa. Następnie stopień utlenienia wynosi -1 i odpowiada anionowi wodorkowemu H-. Warto zauważyć, że H.- jest izoelektroniczny w stosunku do helu gazu szlachetnego, He; to znaczy, że oba gatunki mają taką samą liczbę elektronów.
Podsumowując, stopnie utlenienia wodoru to: +1, 0 i -1 oraz cząsteczki H.dwa liczy się jako posiadający dwa atomy wodoru H.0.
Preferowaną fazą wodoru, przynajmniej w warunkach naziemnych, jest faza gazowa, z przyczyn wcześniej odsłoniętych. Jednak gdy temperatura spada o około -200 ° C lub gdy ciśnienie wzrasta setki tysięcy razy w stosunku do ciśnienia atmosferycznego, wodór może skraplać się lub krystalizować odpowiednio do fazy ciekłej lub stałej..
W tych warunkach cząsteczki Hdwa można je dopasować na różne sposoby, aby zdefiniować wzory strukturalne. Siły dyspersyjne Londynu stają się teraz wysoce kierunkowe i stąd pojawiają się geometrie lub symetrie przyjęte przez pary H.dwa.
Na przykład dwie pary H.dwa, jest to równe pisać (H.dwa)dwa zdefiniuj symetryczny lub asymetryczny kwadrat. Tymczasem trzy pary H.dwa, lub (H.dwa)3 zdefiniować sześciokąt, podobnie jak węgiel w kryształach grafitu. W rzeczywistości ta faza heksagonalna jest główną lub najbardziej stabilną fazą stałego wodoru..
Ale co, jeśli ciało stałe nie składa się z cząsteczek, ale z atomów H? Wtedy zajmiemy się wodorem metalicznym. Te atomy H, przypominając białe kule, mogą definiować zarówno fazę ciekłą, jak i metaliczne ciało stałe..
Wodór to bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku gaz. Dlatego jeśli dojdzie do wycieku, grozi to wybuchem..
-253 ºC.
-259 ºC.
Wybucha praktycznie w każdej temperaturze, jeśli w pobliżu gazu znajduje się iskra lub źródło ciepła, nawet światło słoneczne może zapalić wodór. Jednak dopóki jest dobrze magazynowany, jest to gaz słabo reaktywny..
0,082 g / l Jest 14 razy lżejszy od powietrza.
1,62 mg / L przy 21 ºC w wodzie. Ogólnie rzecz biorąc, jest nierozpuszczalny w większości cieczy.
1,24 106 mmHg przy 25 ° C Wartość ta daje wyobrażenie o tym, jak zamknięte muszą być butle z wodorem, aby zapobiec ucieczce gazu.
560vºC.
2,20 w skali Paulinga.
-285,8 kJ / mol.
0,90 kJ / mol.
0,117 kJ / mol.
„Normalnym” atomem wodoru jest prot, 1H, który stanowi około 99,985% wodoru. Pozostałe dwa izotopy tego pierwiastka to deuter, dwaH i tryt, 3H. Różnią się one liczbą neutronów; deuter ma jeden neutron, podczas gdy tryt ma dwa.
Istnieją dwa rodzaje wodoru cząsteczkowego, H.dwa: orto i para. W pierwszym, dwa spiny (protonu) atomów H są zorientowane w tym samym kierunku (są równoległe); podczas gdy w drugim dwa spiny są w przeciwnych kierunkach (są przeciwrównoległe).
Wodór-para jest bardziej stabilnym z dwóch izomerów; ale wraz ze wzrostem temperatury stosunek orto: para wynosi 3: 1, co oznacza, że izomer wodoru-orto przeważa nad pozostałymi. W bardzo niskich temperaturach (zdalnie bliskich zeru absolutnemu, 20K) można uzyskać próbki czystego wodoru - np.
Nomenklatura odnosząca się do wodoru jest jedną z najprostszych; chociaż nie jest tak samo w przypadku jego związków nieorganicznych lub organicznych. Hdwa Oprócz `` wodoru '' można go nazwać pod następującymi nazwami:
-Wodór cząsteczkowy
-Diwodór
-Cząsteczka dwuatomowego wodoru.
Dla jonu H.+ ich nazwy to jon protonowy lub jon wodorowy; a jeśli jest w środowisku wodnym, H.3LUB+, kation hydroniowy. Podczas gdy jon H.- jest anionem wodorkowym.
Atom wodoru jest najprostszy ze wszystkich i jest zwykle przedstawiony tak jak na powyższym obrazku: jądro z pojedynczym protonem (dla 1H), otoczony elektronem rysującym orbitę. Wszystkie orbitale atomowe pozostałych pierwiastków układu okresowego zostały skonstruowane i oszacowane na tym atomie..
Bardziej wiernym odzwierciedleniem obecnego rozumienia atomów byłaby sfera, której obwód jest określony przez elektron i probabilistyczną chmurę elektronu (jego orbital 1s).
Wodór jest, choć być może w mniejszym stopniu w porównaniu z węglem, pierwiastkiem chemicznym, o którym bez wątpienia można powiedzieć, że występuje wszędzie; w powietrzu, tworząc część wody, która wypełnia morza, oceany i nasze ciała, w ropę naftową i minerały, a także w związkach organicznych, które są gromadzone, aby zapoczątkować życie.
Wystarczy przejrzeć dowolną bibliotekę związków, aby znaleźć w nich atomy wodoru..
Nie chodzi o to, ile, ale jak to jest obecne. Na przykład cząsteczka Hdwa jest tak lotny i reaktywny pod wpływem promieni słonecznych, że jest bardzo rzadki w atmosferze; dlatego reaguje łącząc się z innymi elementami i zyskując w ten sposób stabilność.
Podczas gdy wyżej w kosmosie, wodór występuje głównie w postaci neutralnych atomów, H..
W rzeczywistości wodór w fazie metalicznej i skondensowanej jest uważany za budulec gwiazd. Ponieważ jest ich niezmierzonych ilości, a ze względu na swoją solidność i kolosalne rozmiary sprawiają, że jest to pierwiastek najobficiej występujący w całym wszechświecie. Szacuje się, że 75% znanej materii to atomy wodoru.
Zbieranie luźnych atomów wodoru w kosmosie wydaje się niepraktyczne, a wydobywanie ich z peryferii Słońca lub mgławic - nieosiągalne. Na Ziemi, gdzie jej warunki wymuszają istnienie tego pierwiastka jako H.dwa, mogą być wytwarzane w procesach naturalnych lub geologicznych.
Na przykład wodór ma swój własny naturalny cykl, w którym niektóre bakterie, drobnoustroje i glony mogą go wytwarzać w wyniku reakcji fotochemicznych. Skalowanie naturalnych procesów i równolegle z nimi obejmuje wykorzystanie bioreaktorów, w których bakterie żywią się węglowodorami, aby uwolnić zawarty w nich wodór..
Istoty żywe są również producentami wodoru, ale w mniejszym stopniu. Gdyby tak nie było, nie byłoby możliwe wyjaśnienie, w jaki sposób stanowi on jeden z gazowych składników wzdęć; które zostały nadmiernie wykazane jako łatwopalne.
Na koniec należy wspomnieć, że w warunkach beztlenowych (bez tlenu), na przykład w warstwach podziemnych, minerały mogą powoli reagować z wodą, wytwarzając wodór. Dowodzi tego reakcja Fayelity:
3Fedwatak4 + 2 godzdwaO → 2 Fe3LUB4 + 3 SiOdwa + 3 Hdwa
Chociaż biowodór jest alternatywą do wytwarzania tego gazu na skalę przemysłową, najczęściej stosowane metody praktycznie polegają na „usuwaniu” wodoru ze związków, które go zawierają, tak aby jego atomy zjednoczyły się i utworzyły Hdwa.
Najmniej przyjazne dla środowiska metody jego wytwarzania polegają na przereagowaniu koksu (lub węgla drzewnego) z przegrzaną parą:
C (s) + HdwaO (g) → CO (g) + Hdwa(sol)
W tym celu wykorzystano również gaz ziemny:
CH4(g) + HdwaO (g) → CO (g) + 3Hdwa(sol)
A ponieważ ilości koksu lub gazu ziemnego są ogromne, opłacalne jest wytwarzanie wodoru w jednej z tych dwóch reakcji..
Inną metodą otrzymywania wodoru jest zastosowanie wyładowania elektrycznego do wody w celu rozbicia jej na części elementarne (elektroliza):
2 godzdwaO (l) → 2 H.dwa(g) + Odwa(sol)
Wodór cząsteczkowy można przygotować w małych ilościach w dowolnym laboratorium. Aby to zrobić, aktywny metal należy poddać reakcji z mocnym kwasem w zlewce lub w probówce. Widoczne bulgotanie jest wyraźną oznaką tworzenia się wodoru, reprezentowaną przez następujące ogólne równanie:
M (s) + nH+(ac) → M.n+(ac) + Hdwa(sol)
Gdzie n jest wartościowością metalu. Na przykład magnez reaguje z H.+ do produkcji H.dwa:
Mg (s) + 2H+(ac) → Mgdwa+(ac) + Hdwa(sol)
Same stopnie utlenienia dają pierwszy wgląd w udział wodoru w reakcjach chemicznych. Hdwa podczas reakcji może pozostać niezmieniony lub rozszczepić się na jony H.+ lub H.- w zależności z jakim gatunkiem jest powiązany; jeśli są mniej lub bardziej elektroujemni niż on.
Hdwa nie jest bardzo reaktywny ze względu na siłę wiązania kowalencyjnego H-H; Nie jest to jednak absolutna przeszkoda, aby reagował i tworzył związki z prawie wszystkimi pierwiastkami układu okresowego..
Jego najbardziej znaną reakcją jest reakcja gazu tlenowego, w wyniku której powstają pary wodne:
H.dwa(g) + Odwa(g) → 2HdwaO (g)
I takie jest jego powinowactwo z tlenem do tworzenia stabilnej cząsteczki wody, że może nawet reagować z nią jako anion O.dwa- w niektórych tlenkach metali:
H.dwa(g) + CuO (s) → Cu (s) + HdwaO (l)
Również tlenek srebra reaguje lub jest „redukowany” w tej samej reakcji:
H.dwa(g) + AgO (s) → Ag (s) + HdwaO (l)
Te reakcje wodoru odpowiadają typowi redoks. To znaczy utlenianie redukcyjne. Wodór utlenia się zarówno w obecności tlenu, jak i tlenków metali mniej reaktywnych od niego; na przykład miedź, srebro, wolfram, rtęć i złoto.
Niektóre metale mogą absorbować wodór, tworząc wodorki metali, które są uważane za stopy. Na przykład metale przejściowe, takie jak pallad, pochłaniają znaczne ilości Hdwa, jest podobny do metalowych gąbek.
To samo dzieje się z bardziej złożonymi stopami metali. W ten sposób wodór można przechowywać innymi środkami niż butle..
Cząsteczki organiczne mogą również „absorbować” wodór poprzez różne mechanizmy molekularne i / lub interakcje..
W przypadku metali, cząsteczki H.dwa są otoczone metalowymi atomami w ich kryształach; podczas gdy w cząsteczkach organicznych wiązanie H-H pęka, tworząc inne wiązania kowalencyjne. W bardziej sformalizowanym sensie: wodór nie jest absorbowany, ale jest dodawany do struktury.
Klasycznym przykładem jest dodanie H.dwa do podwójnego lub potrójnego wiązania odpowiednio alkenów lub alkinów:
C = C + Hdwa → H-C-C-H
C≡C + H.dwa → HC = CH
Te reakcje są również nazywane uwodornieniem..
Wodór reaguje bezpośrednio z pierwiastkami, tworząc rodzinę związków chemicznych zwanych wodorkami. Istnieją głównie dwa typy: solankowy i molekularny.
Podobnie istnieją wodorki metali, które składają się ze stopów metali już wspomnianych, gdy metale te absorbują gazowy wodór; i polimerowe, z sieciami lub łańcuchami ogniw E-H, gdzie E oznacza pierwiastek chemiczny.
W wodorkach solnych wodór uczestniczy w wiązaniu jonowym jako anion wodorkowy, H-. Aby tak się stało, element musi być koniecznie mniej elektroujemny; w przeciwnym razie nie oddałby swoich elektronów na rzecz wodoru.
Dlatego wodorki solne powstają tylko wtedy, gdy wodór reaguje z metalami silnie elektrododatnimi, takimi jak alkalia i metale ziem alkalicznych..
Na przykład wodór reaguje z metalicznym sodem, tworząc wodorek sodu:
2Na (s) + Hdwa(g) → 2NaH (s)
Lub z barem do produkcji wodoru baru:
Ba (s) + Hdwa(g) → BaHdwa(s)
Wodorki molekularne są jeszcze lepiej znane niż wodorki jonowe. Nazywa się je również halogenkami wodoru, HX, gdy wodór reaguje z halogenem:
Cldwa(g) + Hdwa(g) → 2HCl (g)
Tutaj wodór uczestniczy w wiązaniu kowalencyjnym jako H.+; ponieważ różnice między elektroujemnościami między obydwoma atomami nie są zbyt duże.
Tę samą wodę można uznać za wodorek tlenu (lub tlenek wodoru), którego reakcja powstawania została już omówiona. Bardzo podobna jest reakcja z siarką, w wyniku której powstaje siarkowodór, cuchnący gaz:
S (s) + Hdwa(g) → HdwaS (g)
Ale ze wszystkich wodorków molekularnych najbardziej znanym (i być może najtrudniejszym do zsyntetyzowania) jest amoniak:
Ndwa(g) + 3Hdwa(g) → 2 NH3(sol)
W poprzedniej sekcji omówiono już jedno z głównych zastosowań wodoru: jako surowiec do rozwoju syntezy, nieorganicznej lub organicznej. Kontrolowanie tego gazu zwykle nie ma innego celu, jak tylko skłonienie go do powstania innych związków niż te, z których został wydobywany..
- Jest jednym z odczynników do syntezy amoniaku, który z kolei ma nieskończone zastosowania przemysłowe, począwszy od produkcji nawozów, nawet jako materiał do leków azotowych..
- Ma reagować z tlenkiem węgla, a tym samym masowo wytwarzać metanol, odczynnik bardzo ważny w biopaliwach..
- Jest reduktorem niektórych tlenków metali, dlatego jest stosowany w redukcji metalurgicznej (już wyjaśniono w przypadku miedzi i innych metali).
- Zmniejsz tłuszcze lub oleje, aby wyprodukować margarynę.
W przemyśle naftowym wodór jest używany do „hydrorafinacji” ropy naftowej w procesach rafinacji..
Na przykład dąży do fragmentacji dużych i ciężkich cząsteczek na małe cząsteczki o większym zapotrzebowaniu na rynku (hydrokraking); uwolnić metale uwięzione w klatkach z petroporfiryną (hydrodmetalizacja); usunąć atomy siarki, takie jak H.dwaS (hydroodsiarczanie); lub zredukuj wiązania podwójne, aby stworzyć mieszanki bogate w parafinę.
Wodór sam w sobie jest doskonałym paliwem dla rakiet czy statków kosmicznych, gdyż niewielkie jego ilości w reakcji z tlenem uwalniają ogromne ilości ciepła lub energii.
Na mniejszą skalę ta reakcja jest wykorzystywana do projektowania ogniw wodorowych lub akumulatorów. Jednak te komórki napotykają trudności związane z niemożnością prawidłowego magazynowania tego gazu; oraz wyzwanie, jakim jest całkowite uniezależnienie się od spalania paliw kopalnych.
Z drugiej strony wodór używany jako paliwo uwalnia jedynie wodę; zamiast gazów, które stanowią środek zanieczyszczający atmosferę i ekosystemy.
Jeszcze bez komentarzy