Do której grupy należy wodór? Wodór: dystrybucja w przyrodzie

Wodór jest najlżejszym i najpowszechniejszym pierwiastkiem chemicznym. Dziś wszyscy o nim słyszeli, ale dopiero niedawno tak było wielka tajemnica nawet dla najlepszych naukowców. Zgadzam się, to wystarczy, aby dowiedzieć się więcej o pierwiastku chemicznym wodorze.

Wodór: dystrybucja w przyrodzie

Jak powiedzieliśmy powyżej, wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem. I to nie tylko na Ziemi, ale w całym Wszechświecie! Słońce prawie w połowie składa się z tego pierwiastka chemicznego, a większość gwiazd opiera się na wodorze. W przestrzeni międzygwiazdowej wodór jest również pierwiastkiem najobficiej występującym. Na Ziemi wodór występuje w postaci związków. Jest częścią ropy, gazów, a nawet organizmów żywych. Ocean Światowy zawiera około 11% masowych wodoru. Jest go bardzo mało w atmosferze, tylko około 5 dziesięciotysięcznych procenta.

Historia odkrycia wodoru

Nawet średniowieczni alchemicy domyślali się istnienia wodoru. Dlatego Paracelsus wskazał w swoich pismach, że gdy kwas i żelazo działają, uwalniają się pęcherzyki „powietrza”. Ale nie mógł zrozumieć, co to za „powietrze”. W tamtych czasach naukowcy myśleli, że każda substancja palna ma jakiś mistyczny ognisty składnik, który podtrzymuje spalanie. To przypuszczenie nazwano teorią „flogistonu”. Alchemicy wierzyli na przykład, że drewno składa się z popiołu, który pozostaje po spaleniu, i flogistonu, który uwalnia się podczas spalania.
Właściwości wodoru po raz pierwszy zbadali angielscy chemicy Henry Cavendish i Joseph Priestley w XVIII wieku. Ale oni też nie do końca rozumieli istotę swojego odkrycia. Myśleli, że lekki gaz (wodór jest 14 razy lżejszy od powietrza) to nic innego jak mistyczny flogiston.
I dopiero Antoine Lavoisier udowodnił, że wodór nie jest flogistonem, ale prawdziwym pierwiastkiem chemicznym. Podczas swoich eksperymentów udało mu się uzyskać wodór z wody, a następnie udowodnił, że woda powstaje w wyniku spalania wodoru. Dlatego ten pierwiastek chemiczny otrzymał swoją nazwę - „rodzić wodę”.

Właściwości chemiczne wodoru

Wodór to pierwszy pierwiastek chemiczny, oznaczony w układzie okresowym symbolem H. Jest to gaz lekki, bezwonny i bezbarwny. Stały wodór jest najlżejszym ciałem stałym, a ciekły wodór jest najlżejszą cieczą. Ponadto ciekły wodór w przypadku kontaktu ze skórą może spowodować poważne odmrożenia. Atomy i cząsteczki wodoru są najmniejsze. Dlatego balon napompowany tym gazem bardzo szybko się opróżnia – wodór przenika przez gumę. Kiedy wodór miesza się z tlenem w powietrzu, powstaje bardzo wybuchowa mieszanina. Nazywa się to „gazem wybuchowym”.
Podczas wdychania gazu częstotliwość głosu staje się znacznie wyższa niż normalnie. Na przykład szorstki basowy głos mężczyzny będzie podobny do głosów Chipa i Dale'a. Jednak podobne eksperymenty chemiczne Nie warto tego robić z powodów podanych powyżej. Wodór i tlen tworzą wybuchowy gaz, który przy wydychaniu może łatwo eksplodować!

Zastosowania wodoru

Pomimo swojej łatwopalności wodór jest szeroko stosowany w wielu gałęziach przemysłu. Stosowany jest głównie do produkcji amoniaku do nawozów mineralnych oraz do produkcji alkoholi i tworzyw sztucznych. Dawno, dawno temu statki powietrzne i balony napełniano wodorem; ten lekki gaz unosił je w powietrze bez żadnych trudności. Ale obecnie w lotnictwie i technologii kosmicznej wykorzystuje się go wyłącznie jako paliwo do rakiet kosmicznych. Stworzono silniki samochodowe zasilane wodorem. Są najbardziej przyjazne dla środowiska, ponieważ podczas spalania wydziela się tylko woda. Jednak na chwilę obecną silniki wodorowe mają szereg istotnych wad i nie do końca spełniają wymogi bezpieczeństwa, dlatego ich zastosowanie jest w dalszym ciągu zupełnie znikome. W przemyśle spożywczym wodór wykorzystuje się do produkcji margaryny, a także do pakowania żywności. Jest nawet zarejestrowany jako suplement diety E949. W energetyce wodór wykorzystuje się do chłodzenia generatorów oraz do wytwarzania energii elektrycznej w wodorowo-tlenowych ogniwach paliwowych.

wiedzieć

• pozycja wodoru w układzie okresowym, położenie w przyrodzie i praktyczne zastosowanie;
• budowa atomowa, wartościowość, stopnie utlenienia wodoru;
• metody wytwarzania i właściwości substancji prostej;
• główne rodzaje związków wodorowych;

móc

• sporządzać równania reakcji wytwarzania wodoru i charakteryzować reakcje właściwości chemiczne wodór;
• przeprowadzać obliczenia wykorzystując równania reakcji z udziałem wodoru;

własny

Umiejętności przewidywania przebiegu reakcji z udziałem wodoru i jego związków.

Pozycja wodoru w układzie okresowym pierwiastków. Wodór w przyrodzie

Wodór H jest pierwszym pierwiastkiem układu okresowego, składającym się z najprostszych atomów o ładunku jądrowym +1 i tylko jednego elektronu. w rozdz. 5 i 6, rozważono już budowę atomu wodoru i cząsteczek H2. Wodór ma nie tylko różnorodne zastosowania praktyczne, ale odegrał także ważną rolę w rozwoju chemii i fizyki.

Wodór uzyskano po raz pierwszy w postaci gazowej w pierwszej połowie XVI wieku. Paracelsus. W 1776 r. zbadał go G. Cavendish i wskazał różnice w stosunku do innych gazów. A. Lavoisier jako pierwszy uzyskał wodór z wody i udowodnił, że woda istnieje związek chemiczny wodór z tlenem (1783).

Istnieją różne opinie na temat tego, w której grupie układu okresowego należy umieścić wodór. Pierwszy okres składa się tylko z dwóch pierwiastków chemicznych - wodoru i helu. Pozycja helu jako pierwiastka chemicznie obojętnego w grupie VIIIA nie budzi wątpliwości. Następnie pozostaje siedem pustych komórek w grupach od I do VII. Do której z tych grup należy umieścić wodór? Ze względu na budowę atomu można go zaliczyć do grupy IA, gdyż posiada on tylko jeden elektron na poziomie zewnętrznym. Ale jednocześnie brakuje mu tylko jednego elektronu, którym mógłby uzupełnić powłokę N= 1. Obecność jednego wakatu w powłoce zewnętrznej charakteryzuje elementy grupy VIIA. Dlatego wodór można umieścić w tej grupie. Ponadto wodór, podobnie jak pierwiastek węgiel w grupie IVA, ma dokładnie połowę maksymalnej liczby elektronów na odpowiednim poziomie. Wodór wykazuje również podobieństwa do tlenu i azotu, ponieważ tworzy cząsteczki dwuatomowe (H 2, N 2, 0 2). Dlatego wskazane jest nie debatowanie nad najwłaściwszą pozycją wodoru w układzie okresowym, ale podanie wodorowi całego pasma w pierwszym okresie z grupy I do VII, bez dzielenia go na komórki.

Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Stanowi około 90% wszystkich atomów. Wyjaśnia to fakt, że na etapie reakcji jądrowych zachodzących w gorącej plazmie po powstaniu Wszechświata większość protonów nie uległa przemianom. Kiedy plazma wystarczająco ostygła podczas dalszej ekspansji, protony łączyły się z elektronami, tworząc atomy wodoru. Pierwotne reakcje jądrowe spowodowały powstanie znacznych ilości helu, który okazał się drugim najczęściej występującym pierwiastkiem (9%). Wszystkie pozostałe pierwiastki powstałe w wyniku syntezy jądrowej w gwiazdach stanowią razem około 1%.

Substancja planety Ziemia zawiera znacznie mniejszą ilość lekkich pierwiastków. Wodór stanowi około 16% liczby atomów i 1% masy. Większość dostępnego wodoru znajduje się w wodzie, w podziemnych złożach węglowodorów, w biomasie roślin i zwierząt oraz w różnych pozostałościach organicznych.

Wodór jest pierwiastek biogenny, czyli pierwiastek życia, czyli będący częścią organizmów wszystkich roślin i zwierząt, wodór jest niezbędny do ich życia. Pod względem liczby atomów wodór w organizmach żywych zajmuje pierwsze miejsce wśród wszystkich pierwiastki chemiczne. W organizmie człowieka atomy wodoru stanowią ponad 62% całkowitej liczby atomów. W związkach bioorganicznych wodór jest związany zarówno z atomami węgla, jak i z tlenem, azotem i siarką grup funkcyjnych. Należy pamiętać, że organizmy żywe składają się nie tylko z materia organiczna, ale zawierają także ponad 60% wody, bez której procesy biologiczne niemożliwe. W suchej masie organizmów żywych udział atomów wodoru sięga 70%. Wodór odgrywa aktywną rolę w procesach życiowych, przechodząc w postaci protonu z jednej cząsteczki do drugiej i tworząc wiązania wodorowe. Utlenianie związki organiczne wraz z przejściem atomów wodoru do składu wody jest jednym ze źródeł energii niezbędnej do życia. Na przykład utlenianie (odwodornienie) substancji organicznej grupą hydroksylową zgodnie ze schematem

dostarcza ponad 250 kJ energii na mol grup ulegających utlenieniu (na schemacie R - różne rodniki zawierające węgiel lub wodór).

Wodór ma trzy izotopy. Najpopularniejszy izotop światła w przyrodzie N, zwany protium. Jądro protium jest cząstka elementarna proton. Protium stanowi 99,985% liczby atomów. Drugi izotop ]N zwany ciężkim wodorem lub deuter. Jest oznaczony specjalnym symbolem D. Jądro deuteru składa się z protonu i neutronu. Wszystkie substancje zawierające wodór zawierają domieszkę deuteru - około 0,015% całkowita liczba atomy wodoru. Trzeci izotop wodoru jest radioaktywny tryt jH (symbol T), mający okres półtrwania 12,33 lat. Tryt występuje w przyrodzie w znikomych ilościach, gdyż powstaje w wyniku działania neutronów promieni kosmicznych na atomy azotu. Duża ilość tryt powstaje w reaktorach jądrowych. Zarówno tryt, jak i deuter są szeroko stosowane w technologii nuklearnej.

Względna różnica mas między atomami protu i deuteru wynosi 100%. Wynika to z zauważalnej różnicy we właściwościach substancji zawierających irot od tych samych substancji zawierających deuter. Porównajmy na przykład niektóre właściwości zwykłego wodoru H 2 i ciężkiego wodoru D 2 (Tabela 17.1). Gęstości obu substancji różnią się najbardziej, gdyż o ile promienie orbitali elektronowych wyznaczających odległości międzyatomowe są bliskie, to jądra deuteru są dwukrotnie cięższe od jąder protium. Dwukrotny wzrost masy atomów deuteru w porównaniu z nrotem prowadzi również do znacznego wzrostu temperatur topnienia i wrzenia proste substancje.

Tabela 17.1

Właściwości prostych substancji wodoru i deuteru

3. Dlaczego wodór, w przeciwieństwie do wszystkich innych pierwiastków, jest zapisany w układzie okresowym D.I. Mendelejew dwa razy? Udowodnij słuszność podwójnej pozycji wodoru w Układ okresowy, porównując budowę i właściwości jej atomu, prostej substancji i związków z odpowiadającymi im formami istnienia innych pierwiastków - metali alkalicznych i halogenów.

Wodór można zapisać w pierwszej grupie, ponieważ jego atom ma 1 elektron na zewnętrznej powłoce, podobnie jak metale alkaliczne, ale brakuje mu również jednego elektronu do uzupełnienia zewnętrznej warstwy elektronów, podobnie jak halogeny, więc można go zapisać w siódmej grupie. W normalnych warunkach wodór, podobnie jak halogeny, tworzy dwuatomową cząsteczkę prostej substancji z pojedynczym wiązaniem - gazem, takim jak fluor lub chlor. Wodór, podobnie jak halogeny, łączy się z metalami, tworząc nielotne wodorki. Jednakże, podobnie jak metale alkaliczne, wodór może wykazywać tylko wartościowość I, a halogeny z reguły tworzą wiele związków o różnej wartościowości.

• Oznaczenie - H (wodór);
• Nazwa łacińska - Hydrogenium;
• Okres - ja;
• Grupa - 1 (Ia);
• Masa atomowa - 1,00794;
• liczba atomowa - 1;
• Promień atomowy = 53 pm;
• Promień kowalencyjny = 32 pm;
• Rozkład elektronów - 1s 1;
• temperatura topnienia = -259,14°C;
• temperatura wrzenia = -252,87°C;
• Elektroujemność (wg Paulinga/wg Alpreda i Rochowa) = 2,02/-;
• Stan utlenienia: +1; 0; -1;
• Gęstość (liczba) = 0,0000899 g/cm3;
• Objętość molowa = 14,1 cm3/mol.

Binarne związki wodoru z tlenem:

Wodór („rodzący wodę”) odkrył angielski naukowiec G. Cavendish w 1766 roku. Jest to najprostszy pierwiastek w przyrodzie – atom wodoru posiada jądro i jeden elektron, dlatego zapewne wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie (stanowi ponad połowę masy większości gwiazd).

O wodorze można powiedzieć, że „szpula jest mała, ale droga”. Pomimo swojej „prostoty” wodór dostarcza energię wszystkim istotom żywym na Ziemi – w sposób ciągły reakcja termojądrowa podczas którego z czterech atomów wodoru powstaje jeden atom helu, procesowi temu towarzyszy wyzwolenie kolosalnej ilości energii (więcej szczegółów w artykule Fuzja jądrowa).

W skorupa ziemska udział masowy wodoru wynosi tylko 0,15%. Tymczasem przeważająca liczba (95%) wszystkich znanych na Ziemi chemikalia zawierają jeden lub więcej atomów wodoru.

W związkach z niemetalami (HCl, H 2 O, CH 4 ...) wodór oddaje swój jedyny elektron pierwiastkom bardziej elektroujemnym, wykazując stopień utlenienia +1 (częściej), tworząc tylko wiązania kowalencyjne(Patrz wiązanie kowalencyjne).

W związkach z metalami (NaH, CaH 2 ...) wodór natomiast przyjmuje kolejny elektron na swój jedyny s-orbital, próbując w ten sposób uzupełnić swoją warstwę elektronową, wykazując stopień utlenienia -1 (rzadziej), często tworząc wiązanie jonowe (patrz wiązanie jonowe ), ponieważ różnica elektroujemności atomu wodoru i atomu metalu może być dość duża.

H 2

W stanie gazowym wodór występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych, tworząc niepolarne wiązanie kowalencyjne.

Cząsteczki wodoru mają:

• duża mobilność;
• wielka siła;
• niska polaryzowalność;
• mały rozmiar i waga.

Właściwości gazowego wodoru:

• najlżejszy gaz w przyrodzie, bezbarwny i bezwonny;
• słabo rozpuszczalny w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych;
• rozpuszcza się w małych ilościach w metalach ciekłych i stałych (zwłaszcza platynie i palladzie);
• trudny do upłynnienia (ze względu na niską polaryzowalność);
• ma najwyższą przewodność cieplną ze wszystkich znanych gazów;
• po podgrzaniu reaguje z wieloma niemetalami, wykazując właściwości środka redukującego;
• w temperaturze pokojowej reaguje z fluorem (następuje eksplozja): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaguje z metalami tworząc wodorki, wykazując właściwości utleniające: H2 + Ca = CaH2;

W związkach wodór wykazuje znacznie silniejsze właściwości redukujące niż utleniające. Wodór jest najsilniejszym środkiem redukującym po węglu, aluminium i wapniu. Właściwości regenerujące Wodór jest szeroko stosowany w przemyśle do otrzymywania metali i niemetali (substancji prostych) z tlenków i galidów.

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

Reakcje wodoru z substancjami prostymi

Wodór przyjmuje elektron, odgrywając pewną rolę środek redukujący, w reakcjach:

• Z tlen(po zapaleniu lub w obecności katalizatora) w stosunku 2:1 (wodór:tlen) powstaje wybuchowy gaz detonujący: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• Z szary(po podgrzaniu do 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• Z chlor(po zapaleniu lub napromieniowaniu promieniami UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• Z fluor: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
• Z azot(po podgrzaniu w obecności katalizatorów lub pod wysokim ciśnieniem): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Wodór oddaje elektron, odgrywając pewną rolę środek utleniający, w reakcjach z alkaliczny I ziemia alkaliczna metale tworząc wodorki metali – sole jonowe zawierające jony wodorkowe – są to niestabilne, białe substancje krystaliczne.

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

Wodór nie jest typowym stanem utlenienia -1. Podczas reakcji z wodą wodorki rozkładają się, redukując wodę do wodoru. Reakcja wodorku wapnia z wodą przebiega następująco:

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

Reakcje wodoru z substancjami złożonymi

• w wysokich temperaturach wodór redukuje wiele tlenków metali: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• alkohol metylowy otrzymuje się w reakcji wodoru z tlenkiem węgla (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• W reakcjach uwodornienia wodór reaguje z wieloma substancjami organicznymi.

Bardziej szczegółowe równania reakcje chemiczne wodór i jego związki omówione są na stronie „Wodór i jego związki – równania reakcji chemicznych z udziałem wodoru”.

Zastosowania wodoru

• w energii jądrowej wykorzystuje się izotopy wodoru - deuter i tryt;
• V przemysł chemiczny wodór służy do syntezy wielu substancji organicznych, amoniaku, chlorowodoru;
• w przemyśle spożywczym wodór wykorzystuje się do produkcji tłuszczów stałych poprzez uwodornienie olejów roślinnych;
• do spawania i cięcia metali wykorzystuje się wysoką temperaturę spalania wodoru w tlenie (2600°C);
• przy produkcji niektórych metali wodór stosuje się jako środek redukujący (patrz wyżej);
• ponieważ wodór jest gazem lekkim, stosuje się go w aeronautyce jako wypełniacz balonów, aerostatów i sterowców;
• Wodór stosowany jest jako paliwo zmieszane z CO.

W ostatnim czasie naukowcy poświęcają wiele uwagi poszukiwaniu alternatywnych źródeł energii odnawialnej. Jednym z obiecujących obszarów jest energetyka „wodorowa”, w której wodór wykorzystuje się jako paliwo, którego produktem spalania jest zwykła woda.

Metody wytwarzania wodoru

Przemysłowe metody produkcji wodoru:

• konwersja metanu (katalityczna redukcja pary wodnej) parą wodną w wysokiej temperaturze (800°C) na katalizatorze niklowym: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• konwersja tlenku węgla za pomocą pary wodnej (t=500°C) na katalizatorze Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• rozkład termiczny metanu: CH 4 = C + 2H 2;
• zgazowanie paliw stałych (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• elektroliza wody (bardzo droga metoda, w wyniku której powstaje bardzo czysty wodór): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratoryjne metody wytwarzania wodoru:

• działanie na metale (zwykle cynk) kwasem solnym lub rozcieńczonym kwasem siarkowym: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2;
• oddziaływanie pary wodnej z gorącymi opiłkami żelaza: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.