Vodík H je chemický prvok, jeden z najbežnejších v našom vesmíre. Hmotnosť vodíka ako prvku v zložení látok je 75% z celkového obsahu atómov iného typu. Je súčasťou najdôležitejšieho a životne dôležitého spojenia na planéte - vody. Charakteristickým rysom vodíka je tiež to, že je prvým prvkom v periodickom systéme chemických prvkov D. I. Mendelejeva.
Objavovanie a skúmanie
Prvé zmienky o vodíku v spisoch Paracelsa pochádzajú zo 16. storočia. Ale jeho izoláciu od plynnej zmesi vzduchu a štúdium horľavých vlastností urobil už v sedemnástom storočí vedec Lemery. Vodík dôkladne študoval anglický chemik, fyzik a prírodovedec Henry Cavendish, ktorý experimentálne dokázal, že hmotnosť vodíka je v porovnaní s inými plynmi najmenšia. V ďalších fázach rozvoja vedy s ním spolupracovalo mnoho vedcov, najmä Lavoisier, ktorý ho nazval „zrodením vody“.
Charakteristika podľa pozície v PSHE
Prvok, ktorý sa otváraperiodickej tabuľky D. I. Mendelejeva, je vodík. Fyzikálne a chemické vlastnosti atómu vykazujú určitú dualitu, pretože vodík je súčasne zaradený do prvej skupiny, hlavnej podskupiny, ak sa správa ako kov a v procese chemickej reakcie odovzdá jediný elektrón, a do siedma - v prípade úplného naplnenia valenčnej škrupiny, teda prijímacej negatívnej častice, ktorá ju charakterizuje ako podobnú halogénom.
Vlastnosti elektronickej štruktúry prvku
Vlastnosti atómu vodíka, komplexné látky, ktorých je súčasťou, a najjednoduchšia látka H2 sú primárne určené elektrónovou konfiguráciou vodíka. Častica má jeden elektrón so Z=(-1), ktorý rotuje na svojej dráhe okolo jadra, obsahuje jeden protón s jednotkovou hmotnosťou a kladným nábojom (+1). Jeho elektronická konfigurácia je zapísaná ako 1s1, čo znamená prítomnosť jednej negatívnej častice v úplne prvom a jedinom s-orbitáli pre vodík.
Keď sa elektrón odpojí alebo odovzdá a atóm tohto prvku má takú vlastnosť, že súvisí s kovmi, získa sa katión. V skutočnosti je vodíkový ión kladná elementárna častica. Preto sa vodík bez elektrónu jednoducho nazýva protón.
Fyzikálne vlastnosti
Ak stručne popíšeme fyzikálne vlastnosti vodíka, potom je to bezfarebný, mierne rozpustný plyn s relatívnou atómovou hmotnosťou rovnajúcou sa 2, 14,5-krát ľahším ako vzduch, s teplotouskvapalnenie -252,8 stupňov Celzia.
Zo skúsenosti môžete ľahko vidieť, že H2 je najjednoduchšie. Na to stačí naplniť tri guľôčky rôznymi látkami - vodík, oxid uhličitý, obyčajný vzduch - a súčasne ich uvoľniť z ruky. Ten naplnený CO2 sa dostane na zem rýchlejšie ako ktokoľvek iný, potom nafúknutá vzduchová zmes klesne a ten, ktorý obsahuje H2 vystúpi k stropu.
Malá hmotnosť a veľkosť častíc vodíka odôvodňujú jeho schopnosť prenikať cez rôzne látky. Na príklade tej istej lopty sa to dá ľahko overiť, za pár dní sa sama vyfúkne, pretože plyn jednoducho prejde cez gumu. Vodík sa tiež môže hromadiť v štruktúre niektorých kovov (paládium alebo platina) a vyparovať sa z nich, keď teplota stúpa.
Nízka rozpustnosť vodíka sa v laboratórnej praxi využíva na jeho izoláciu metódou vytesňovania vody. Fyzikálne vlastnosti vodíka (tabuľka nižšie obsahuje hlavné parametre) určujú rozsah jeho použitia a spôsoby výroby.
| Parameter atómu alebo molekuly jednoduchej látky | Význam |
| Atómová hmotnosť (molárna hmotnosť) | 1,008 g/mol |
| Elektronická konfigurácia | 1s1 |
| Kryštálová mriežka | Šesťhranné |
| Tepelná vodivosť | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Hustota pri n. r. | 0, 08987 g/l |
| Bod varu | -252, 76 °C |
| Špecifická výhrevnosť | 120, 9 106 J/kg |
| Teplota topenia | -259, 2 °C |
| Rozpustnosť vo vode | 18, 8ml/L |
Izotopové zloženie
Ako mnohí iní predstavitelia periodickej sústavy chemických prvkov, aj vodík má niekoľko prirodzených izotopov, teda atómov s rovnakým počtom protónov v jadre, ale rôznym počtom neutrónov - častice s nulovým nábojom a jednotkou omša. Príkladmi atómov, ktoré majú túto vlastnosť, sú kyslík, uhlík, chlór, bróm a ďalšie, vrátane rádioaktívnych.
Fyzikálne vlastnosti vodíka 1H, najbežnejší zo zástupcov tejto skupiny, sa výrazne líšia od rovnakých vlastností svojich náprotivkov. Líšia sa najmä vlastnosti látok, v ktorých sú zahrnuté. Existuje teda obyčajná a deuterovaná voda, ktorá vo svojom zložení obsahuje namiesto atómu vodíka s jedným protónom deutérium 2H - jeho izotop s dvoma elementárnymi časticami: kladnou a nenabitou. Tento izotop je dvakrát ťažší ako obyčajný vodík, čo vysvetľuje zásadný rozdiel vo vlastnostiach zlúčenín, ktoré tvoria. V prírode je deutérium 3200-krát vzácnejšie ako vodík. Tretím zástupcom je trícium 3Н, v jadre má dva neutróny a jeden protón.
Spôsoby získavania a výberu
Laboratórne a priemyselné metódy výroby vodíka sú veľmi odlišné. Áno, v malom množstveplyn sa vyrába predovšetkým reakciami minerálov, zatiaľ čo pri výrobe vo veľkom meradle sa vo väčšej miere využíva organická syntéza.
V laboratóriu sa používajú nasledujúce chemické interakcie:
- Reakcia alkalických kovov a kovov alkalických zemín s vodou za vzniku alkálie a požadovaného plynu.
- Elektrolýza vodného roztoku elektrolytu, H2↑ sa uvoľňuje na anóde a kyslík sa uvoľňuje na katóde.
- Rozklad hydridov alkalických kovov vodou, produkty sú alkalické a teda plyn H2↑.
- Reakcia zriedených kyselín s kovmi za vzniku solí a H2↑.
- Pôsobenie alkálií na kremík, hliník a zinok tiež podporuje uvoľňovanie vodíka súbežne s tvorbou komplexných solí.
V priemyselnom záujme sa plyn získava metódami ako:
- Tepelný rozklad metánu v prítomnosti katalyzátora na jeho základné jednoduché látky (350 stupňov dosahuje hodnotu takého ukazovateľa ako je teplota) - vodík H2↑ a uhlík C.
- Prechod parnej vody cez koks s teplotou 1000 stupňov Celzia za vzniku oxidu uhličitého CO2 a H2↑ (najbežnejšia metóda).
- Konverzia plynného metánu na niklovom katalyzátore pri teplotách dosahujúcich 800 stupňov.
- Vodík je vedľajším produktom elektrolýzy vodných roztokov chloridov draselných alebo sodných.
Chemickýinterakcie: všeobecné zásady
Fyzikálne vlastnosti vodíka do značnej miery vysvetľujú jeho správanie v reakčných procesoch s jednou alebo druhou zlúčeninou. Valencia vodíka je 1, pretože sa nachádza v prvej skupine v periodickej tabuľke a stupeň oxidácie ukazuje iný. Vo všetkých zlúčeninách, okrem hydridov, vodík v s.o.=(1+), v molekulách ako ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Molekula vodíkového plynu, vytvorená vytvorením zovšeobecneného elektrónového páru, pozostáva z dvoch atómov a je energeticky dosť stabilná, preto je za normálnych podmienok do istej miery inertná a pri zmene normálnych podmienok vstupuje do reakcií. V závislosti od stupňa oxidácie vodíka v zložení iných látok môže pôsobiť ako oxidačné činidlo aj ako redukčné činidlo.
Látky, s ktorými reaguje a tvorí vodík
Elementárne interakcie pri vytváraní komplexných látok (často pri zvýšených teplotách):
- Alkalické kovy a kovy alkalických zemín + vodík=hydrid.
- Halogén + H2=halogenovodík.
- Síra + vodík=sírovodík.
- Kyslík + H2=voda.
- Uhlík + vodík=metán.
- Dusík + H2=amoniak.
Interakcia s komplexnými látkami:
- Produkcia syntézneho plynu z oxidu uhoľnatého a vodíka.
- Obnova kovov z ich oxidov pomocou H2.
- Nasýtenie nenasýtených alifatických látok vodíkomuhľovodíky.
Vodíková väzba
Fyzikálne vlastnosti vodíka sú také, že mu v kombinácii s elektronegatívnym prvkom umožňujú vytvárať špeciálny typ väzby s rovnakým atómom zo susedných molekúl, ktoré majú nezdieľané elektrónové páry (napríklad kyslík, dusík a fluór). Najjasnejším príkladom, na ktorom je lepšie zvážiť takýto jav, je voda. Dá sa povedať, že je prešitý vodíkovými väzbami, ktoré sú slabšie ako kovalentné alebo iónové, no vzhľadom na to, že ich je veľa, majú výrazný vplyv na vlastnosti látky. Vodíková väzba je v podstate elektrostatická interakcia, ktorá viaže molekuly vody na diméry a polyméry, čo vedie k jej vysokému bodu varu.
Vodík v minerálnych zlúčeninách
Zloženie všetkých anorganických kyselín zahŕňa protón – katión atómu, akým je napríklad vodík. Látka, ktorej kyslý zvyšok má oxidačný stav väčší ako (-1), sa nazýva viacsýtna zlúčenina. Obsahuje niekoľko atómov vodíka, vďaka čomu je disociácia vo vodných roztokoch viacstupňová. Každý nasledujúci protón sa od zvyšku kyseliny oddeľuje čoraz ťažšie. Podľa kvantitatívneho obsahu vodíkov v médiu sa určuje jeho kyslosť.
Vodík obsahuje aj hydroxylové skupiny zásad. V nich je vodík spojený s atómom kyslíka, v dôsledku čoho je oxidačný stav tohto alkalického zvyšku vždy rovný (-1). Obsah hydroxylov v médiu určuje jeho zásaditosť.
Aplikácia v ľudských činnostiach
Fľaše s látkou, ako aj nádoby s inými skvapalnenými plynmi, ako je kyslík, majú špecifický vzhľad. Sú natreté tmavozelenou farbou s jasne červeným nápisom „Hydrogen“. Plyn sa čerpá do valca pod tlakom asi 150 atmosfér. Fyzikálne vlastnosti vodíka, najmä ľahkosť plynného skupenstva agregácie, sa využívajú na jeho plnenie do zmesi s héliovými balónmi, balónmi atď.
Vodík, ktorého fyzikálne a chemické vlastnosti sa ľudia naučili využívať pred mnohými rokmi, sa v súčasnosti používa v mnohých priemyselných odvetviach. Väčšina ide na výrobu amoniaku. Vodík sa podieľa aj na výrobe kovov (hafnium, germánium, gálium, kremík, molybdén, volfrám, zirkónium a iné) z oxidov, pričom pôsobí v reakcii ako redukčné činidlo, kyseliny kyanovodíkovej a chlorovodíkovej, metylalkohol a umelá kvapalina palivo. Potravinársky priemysel ho používa na premenu rastlinných olejov na tuhé tuky.
Zistil chemické vlastnosti a využitie vodíka v rôznych procesoch hydrogenácie a hydrogenácie tukov, uhlia, uhľovodíkov, olejov a vykurovacieho oleja. Pomocou neho sa vyrábajú drahé kamene, žiarovky, pod vplyvom kyslíkovo-vodíkového plameňa sa kujú a zvárajú kovové výrobky.
