Ūdeņa fizikālās īpašības. Ūdeņraža īpašības un pielietojums

Ūdeņradis H ir ķīmiskais elements, viens no visizplatītākajiem mūsu universitātē. Ūdeņraža masa kā sastāvdaļa vielu sastāvā ir 75% no kopējā cita veida atomu satura. Viņš ievada vissvarīgāko un svarīgāko savienojumu ar planētu - ūdeni. Atšķirīga iezīme ūdeņradī ir arī tas, ka tas ir pirmais elements DI Mendeleyev periodiskajā ķīmisko elementu sistēmā.

Atklāšana un izpēte

Pirmais pieminējums par ūdeņradi Paracelsus rakstos aizsākās sešpadsmitajā gadsimtā. Bet tā atdalīšana no gaisa gāzes maisījuma un degošu īpašību izpēte jau septiņpadsmitajā gadsimtā jau bija zinātnieks Lemēri. Angļu ķīmiķis, fiziķis un dabas zinātnieks Henry Cavendish rūpīgi izpētīja ūdeņradi, kurš pēc pieredzes pierādīja, ka ūdeņraža masa ir mazākā salīdzinājumā ar citām gāzēm. Nākamajos zinātnes attīstības posmos ar viņu strādāja daudzi zinātnieki, jo īpaši Lavoisieris, kurš viņu sauca par "dzemdību ūdens".

Pozīcijas raksturojums PSHE

Elements, kas atver DI Mendeļjeva periodisko tabulu, ir ūdeņradis. Atomu fizikālās un ķīmiskās īpašības izpaužas kā dualitāte, jo ūdeņradis vienlaikus tiek nodots pirmajai grupai, galvenajai apakšgrupai, ja tā rīkojas kā metāls un ķimikālijas reakcijā dod vienotu elektronu, bet septītajā - pilnvērtīgas korpusa pildījuma gadījumā - Negatīva daļiņa, kas to raksturo kā līdzīgu halogēniem.

Elementa elektroniskās struktūras elementi

Ūdeņraža atoma, komplekso vielu, kurās tā ieplūst, un vienkāršākās H ₂ vielas īpašības galvenokārt nosaka ūdeņraža elektroniskā konfigurācija. Daļai ir viens elektrons ar Z = (-1), kas rotē tā orbītā ap kodolu, kas satur vienu protonu ar vienības masu un pozitīvu lādiņu (+1). Tās elektroniskā konfigurācija ir rakstīta kā 1s ¹ , kas nozīmē, ka tam ir viena negatīva daļiņa uz ūdeņraža pirmajiem un vienīgajiem s-orbitāliem.

Ar elektrona atdalīšanu vai atpalikšanu, un šī elementa atoms ir tāds īpašums, ka tas ir saistīts ar metāliem, iegūst katijonu. Patiesībā ūdeņraža jons ir pozitīva elementārā daļiņa. Tāpēc elektronu, kas atņem ūdeņradi, vienkārši sauc par protonu.

Fizikālās īpašības

Īsi raksturojot ūdeņraža fiziskās īpašības , tā ir bezkrāsaina, nedaudz šķīstoša gāze ar relatīvo atomu masu, kas ir 2, 14,5 reizes vieglāka nekā gaiss, un sašķidrināšanas temperatūra ir -252,8 grādi pēc Celsija.

No pieredzes ir viegli saprast, ka H ₂ ir visvieglākais. Lai to paveiktu, ir pietiekami piepildīt trīs sfēras ar dažādām vielām - ūdeņradim, oglekļa dioksīdam, parastajam gaisam - un vienlaicīgi atbrīvot tos no rokas. Ātrākais no tiem būs tas, kas piepildīts ar CO ₂ , pēc tam, kad būs piepūsta gaisa maisījums, un saturs H2 kopumā pieaugs līdz griestiem.

Mazā ūdeņraža daļiņu masa un lielums pamato tās spēju iekļūt dažādās vielās. Tās pašas lodītes piemērā ir viegli pārliecināties, ka pēc pāris dienām viņš pats tiks izpūsts, jo gāze vienkārši iet cauri gumijai. Arī ūdeņradis var uzkrāties noteiktu metālu (pallādija vai platīna) struktūrā, un no tā iztvaiko arvien pieaugošā temperatūra.

Ūdeņraža zemu šķīdības īpašību izmanto laboratorijas praksē, lai to izolētu ar ūdens pārvietošanas metodi . Ūdeņraža fizikālās īpašības (tabulā parādīti galvenie parametri) nosaka tās piemērošanas jomu un ražošanas metodes.

Izotopu sastāvs

Tāpat kā daudzi citi periodisko ķīmisko elementu sistēmas pārstāvji, ūdeņradim ir vairāki dabiskie izotopi, ti, atomi ar tādu pašu protonu skaitu kodolā, bet atšķirīgs skaits neitronu-daļiņu ar nulles lādiņu un vienības masu. Līdzīgu īpašību atomu piemēri ir skābeklis, ogleklis, hlors, broms un citi, ieskaitot radioaktīvos.

Ūdeņraža H ¹ fizikālās īpašības, visbiežāk sastopamās šīs grupas pārstāvji, ievērojami atšķiras no tā ekvivalenta hidrolīzes īpašībām. Īpaši atšķiras to vielu iezīmes, kurās tās iekļautas. Tātad ir parasts un deitēts ūdens, kas savā sastāvā satur ūdeņraža atomu ar vienu deuterija ² H protonu - tā izotopu ar divām elementārām daļiņām: pozitīvu un neuzlādētu. Šis izotops ir divas reizes smagāks par parasto ūdeņradi, kas izskaidro kardinālu atšķirību to sastāvā esošo savienojumu īpašībās. Dabī deiterijs notiek 3200 reizes retāk nekā ūdeņradis. Trešais pārstāvis ir tritijs 3H, jo kodolā ir divi neitroni un viens protons.

Iegūšanas un ieguves metodes

Laboratorijas un ražošanas metodes ūdeņraža iegūšanai ir ļoti atšķirīgas. Tādējādi nelielos daudzumos gāzi ražo galvenokārt reakcijas, kas saistītas ar minerāliem, un liela mēroga ražošana lielā mērā izmanto organisko sintēzi.

Laboratorijā tiek izmantotas šādas ķīmiskās mijiedarbības:

1. Sārmu un sārmzemju metālu reakcija ar ūdeni, veidojot sārmu un vēlamo gāzi.
2. Elektrolīda ūdens šķīduma elektrolīze pie anoda izdalās H ₂ ↑, bet uz katoda - skābeklis.
3. Sārma metālu hidrīdu sadalīšanās ar ūdeni, produkti ir sārmi un attiecīgi gāze H ₂ ↑.
4. Atšķaidītu skābju mijiedarbība ar metāliem, lai veidotu sāļus un H ₂ ↑.
5. Sārmu iedarbība uz silīciju, alumīniju un cinku arī veicina ūdeņraža izdalīšanos paralēli kompleksu sāļu veidošanai.

Rūpniecības interesēs gāzi ražo, izmantojot šādas metodes:

1. Metāna termiskā sadalīšanās katalizatora klātbūtnē vienkāršām sastāvdaļām (350 grādi sasniedz tāda indeksa vērtību kā temperatūra) - ūdeņradis H ₂ ↑ un ogleklis C.
2. Iztvaikojošā ūdens padeve koksa ar 1000 grādiem pēc Celsija, veidojot oglekļa dioksīdu CO ₂ un H ₂ ↑ (visbiežāk sastopamā metode).
3. Gāzveida metāna pārveidošana par niķeļa katalizatoru temperatūrā, kas sasniedz 800 grādus.
4. Ūdeņradis ir blakusprodukts kālija vai nātrija hlorīdu ūdens šķīdumu elektrolīzē.

Ķīmiskā mijiedarbība: vispārīgi noteikumi

Ūdeņraža fizikālās īpašības lielā mērā izskaidro tās uzvedību reakcijas procesos ar konkrētu savienojumu. Ūdeņraža valence ir 1, jo tā atrodas pirmajā grupā Mendelejeva tabulā, un oksidācijas pakāpe ir atšķirīga. Visos savienojumos, izņemot hidrīdus, ūdeņradis sojas = (1+), molekulās XH, XH2, XH3 - (1-).

Ūdeņraža gāzes molekula, kas veidojas, ģenerējot vispārinātu elektronu pāri, sastāv no diviem atomiem un enerģētiski ir stabila, tāpēc parastos apstākļos tā ir nedaudz inertā stāvoklī un reakcijā nonāk, kad mainās normālie apstākļi. Atkarībā no ūdeņraža oksidēšanās pakāpes citu vielu sastāvā, tā var darboties kā oksidētājs un reducējošais līdzeklis.

Vielas, ar kurām tas reaģē un kuri veido ūdeņradi

Elementāla mijiedarbība ar sarežģītu vielu veidošanu (bieži paaugstinātā temperatūrā):

1. Sārmu un sārmzemju metāls + ūdeņradis = hidrīds.
2. Halogēns + H2 = ūdeņraža halogēns.
3. Sērs + ūdeņradis = sērūdeņradis.
4. Skābeklis + H2 = ūdens.
5. Ogleklis + ūdeņradis = metāns.
6. Slāpeklis + H ₂ = amonjaks.

Mijiedarbība ar sarežģītām vielām

1. Sintēzes gāzes ražošana no oglekļa monoksīda un ūdeņraža.
2. Metālu atgūšana no oksīdiem ar H ₂ .
3. Piesātināto alifātisko ogļūdeņražu piesātinājums ar ūdeni.

Ūdeņraža saite

Ūdeņraža fizikālās īpašības ir tādas, ka tās ļauj savienojumā ar elektronegatīvo elementu veidot īpaša veida saiti ar tādu pašu atomu no blakus esošajām molekulām, kurām ir nedalīti elektronu pārīši (piemēram, skābeklis, slāpeklis un fluors). Vislabākais piemērs tam, kā labāk apsvērt šādu fenomenu, ir ūdens. To var teikt, ka tās ir sašūtas ar ūdeņraža saiti, kas ir vājāki par kovalentām vai joniskām saitēm, bet sakarā ar to, ka daudzi no tiem ir, tie būtiski ietekmē vielas īpašības. Patiesībā ūdeņraža saite ir elektrostatiskā mijiedarbība, kas ūdens molekulas savieno ar dimēriem un polimēriem, pamatojot to ar augstu viršanas temperatūru.

Ūdeņradis minerālu savienojumu sastāvā

Visu neorganisko skābju sastāvā ietilpst atoma, piemēram, ūdeņraža, protonēšana. Vielu, kuras skābā atlikuma oksidācijas pakāpe ir lielāka par (-1), sauc daudzburtu savienojumu. Tas satur vairākus ūdeņraža atomus, kas daudzās pakāpēs padara disociāciju ūdens šķīdumos. Katrs nākamais protonis vairāk un vairāk sarežģī atdalās no pārējās skābes. Ūdens daudzums vidē nosaka tā skābumu.

Ūdeņradis satur arī hidroksilgrupas no bāzēm. Tajos ūdeņradis ir savienots ar skābekļa atomu, tādēļ šī sārmu atlikuma oksidēšanās pakāpe vienmēr ir vienāda ar (-1). Saskaņā ar hidroksilu saturu vidē, tiek noteikts tā pamatīgums.

Lietošana cilvēka darbībā

Baloniem ar vielu, kā arī konteineriem ar citām sašķidrinātām gāzēm, piemēram, skābekli, ir īpašs izskats. Tie ir krāsoti tumši zaļā krāsā ar spilgti sarkanu uzrakstu "Ūdeņradis". Gāze tiek iesūknēta balonā ar spiedienu aptuveni 150 atmosfēru. Ūdeņraža fizikālās īpašības, jo īpaši gāzu agregāta stāvokļa atvieglošana, tiek izmantotas, lai to piepildītu maisījumā ar balonu, balonu utt. Hēliju.

Ūdeņradis, kuras fiziskās un ķīmiskās īpašības, kuras cilvēki ir iemācījušies izmantot pirms daudziem gadiem, šobrīd tiek izmantotas daudzās nozarēs. Tās lielāko daļu veido amonjaka ražošana. Ūdeņradis arī ir saistīts ar metālu (hafnija, germānija, gallija, silīcija, molibdēna, volframa, cirkonija uc) ražošanu no oksīdiem, kas darbojas kā reducējoša viela, ciānūdeņražskābe, sālsskābe, metilspirts un mākslīgais šķidrais kurināmais. Pārtikas rūpniecība to izmanto, lai pārvērstu augu eļļas par cietajiem taukiem.

Ir noteiktas ķīmiskās īpašības un ūdeņraža izmantošana dažādos tauku, ogļu, ogļūdeņražu, eļļu un mazuta hidrogenēšanas procesos. Ar to palīdzību tiek ražoti dārgakmeņi, kvēlspuldzes, metālizstrādājumu kalšana un metināšana notiek skābekļa-ūdeņraža liesmas ietekmē.