Vandilis H yra cheminis elementas, vienas labiausiai paplitusių mūsų Visatoje. Vandenilio, kaip elemento medžiagų sudėtyje, masė sudaro 75% viso kito tipo atomų kiekio. Jis įtrauktas į svarbiausią ir gyvybiškai svarbų ryšį planetoje – vandenį. Išskirtinis vandenilio bruožas yra ir tai, kad jis yra pirmasis elementas periodinėje D. I. Mendelejevo cheminių elementų sistemoje.
Atradimas ir tyrinėjimas
Pirmosios nuorodos į vandenilį Paracelso raštuose datuojamos XVI amžiuje. Tačiau jo izoliaciją nuo oro dujų mišinio ir degių savybių tyrimą jau XVII amžiuje atliko mokslininkas Lemery. Vandenilį nuodugniai ištyrė anglų chemikas, fizikas ir gamtininkas Henry Cavendish, kuris eksperimentiškai įrodė, kad vandenilio masė yra mažiausia, palyginti su kitomis dujomis. Vėlesniuose mokslo vystymosi etapuose su juo dirbo daug mokslininkų, ypač Lavoisier, kuris jį pavadino „vandens gimdymu“.
Būdinga pagal poziciją PSHE
Elementas, kuris atidaromasD. I. Mendelejevo periodinė lentelė, yra vandenilis. Fizinės ir cheminės atomo savybės rodo tam tikrą dvilypumą, nes vandenilis tuo pačiu metu priskiriamas pirmajai grupei, pagrindiniam pogrupiui, jei jis elgiasi kaip metalas ir cheminės reakcijos procese atiduoda vieną elektroną, ir septinta – visiškai užpildžius valentinį apvalkalą, tai yra, neigiamą dalelę, kuri apibūdina ją kaip panašią į halogenus.
Elemento elektroninės struktūros ypatybės
Vandenilio atomo, sudėtingų medžiagų, kurių dalis jis yra, ir paprasčiausios medžiagos H2 savybes pirmiausia lemia vandenilio elektronų konfigūracija. Dalelė turi vieną elektroną, kurio Z=(-1), kuris sukasi savo orbita aplink branduolį, kuriame yra vienas protonas, kurio masė vienetinė ir teigiamas krūvis (+1). Jo elektroninė konfigūracija parašyta kaip 1s1, o tai reiškia vienos neigiamos dalelės buvimą pačioje pirmoje ir vienintelėje vandenilio s orbitoje.
Kai elektronas atsiskiria arba atiduodamas, o šio elemento atomas turi tokią savybę, kad yra susijęs su metalais, gaunamas katijonas. Tiesą sakant, vandenilio jonas yra teigiama elementarioji dalelė. Todėl vandenilis, kuriame nėra elektrono, tiesiog vadinamas protonu.
Fizikinės savybės
Jei trumpai apibūdintume fizines vandenilio savybes, tai bespalvės, mažai tirpios dujos, kurių santykinė atominė masė lygi 2,14,5 karto lengvesnės už orą, kurių temperatūra-252,8 laipsnių Celsijaus suskystinimas.
Iš patirties galite lengvai suprasti, kad H2 yra lengviausia. Norėdami tai padaryti, pakanka užpildyti tris kamuoliukus įvairiomis medžiagomis - vandeniliu, anglies dioksidu, paprastu oru - ir vienu metu paleisti juos iš rankos. Tas, kuris užpildytas CO2, pasieks žemę greičiau nei bet kas kitas, po jo išpūstas oro mišinys nusileis žemyn, o tas, kuriame yra H2 pakils iki lubų.
Maža vandenilio dalelių masė ir dydis pateisina jo gebėjimą prasiskverbti per įvairias medžiagas. To paties rutulio pavyzdyje tai nesunku patikrinti, po poros dienų jis pats išsikraus, nes dujos tiesiog praeis per gumą. Be to, vandenilis gali kauptis kai kurių metalų (paladžio ar platinos) struktūroje ir pakilus temperatūrai iš jo išgaruoti.
Vandilio mažo tirpumo savybė naudojama laboratorinėje praktikoje jį atskirti vandens išstūmimo metodu. Vandenilio fizinės savybės (toliau esančioje lentelėje pateikti pagrindiniai parametrai) lemia jo taikymo sritį ir gamybos būdus.
| Paprastos medžiagos atomo ar molekulės parametras | Reikšmė |
| Atominė masė (molinė masė) | 1,008 g/mol |
| Elektroninė konfigūracija | 1s1 |
| Krištolinė grotelė | Šešiakampis |
| Šiluminis laidumas | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Tankis ties n. y. | 0, 08987 g/l |
| Virimo temperatūra | -252, 76 °C |
| Konkreti kaloringumas | 120, 9 106 J/kg |
| Lydymosi temperatūra | -259, 2 °C |
| Tirpumas vandenyje | 18, 8 ml/L |
Izotopinė kompozicija
Kaip ir daugelis kitų periodinės cheminių elementų sistemos atstovų, vandenilis turi keletą natūralių izotopų, tai yra atomų, kurių branduolyje yra vienodas protonų skaičius, bet skirtingas neutronų skaičius – dalelės, kurių įkrovimas nulinis ir vienetas. masė. Tokią savybę turinčių atomų pavyzdžiai yra deguonis, anglis, chloras, bromas ir kiti, įskaitant radioaktyvius.
Fizikinės vandenilio savybės 1H, labiausiai paplitusios iš šios grupės atstovų, labai skiriasi nuo tų pačių analogų savybių. Visų pirma skiriasi medžiagų, į kurias jos įtrauktos, savybės. Taigi, yra paprastas ir deuteruotas vanduo, kurio sudėtyje vietoj vandenilio atomo su vienu protonu yra deuterio 2H - jo izotopas su dviem elementariomis dalelėmis: teigiama ir neįkrauta. Šis izotopas yra dvigubai sunkesnis už paprastą vandenilį, o tai paaiškina esminį jų sudarytų junginių savybių skirtumą. Gamtoje deuteris yra 3200 kartų retesnis nei vandenilis. Trečiasis atstovas yra tritis 3Н, jo branduolyje yra du neutronai ir vienas protonas.
Gavimo ir pasirinkimo būdai
Laboratoriniai ir pramoniniai vandenilio gamybos metodai labai skiriasi. Taip, nedideliais kiekiaisdujos pirmiausia gaminamos vykstant reakcijoms, kuriose dalyvauja mineralai, o didelio masto gamyboje daugiau naudojama organinė sintezė.
Laboratorijoje naudojamos šios cheminės sąveikos:
- Šarmų ir šarminių žemės metalų reakcija su vandeniu, kad susidarytų šarmas ir norimos dujos.
- Vandeninio elektrolito tirpalo elektrolizė, H2↑ išsiskiria prie anodo, o deguonis – katode.
- Šarminių metalų hidridų skaidymas vandeniu, produktai yra šarminiai ir atitinkamai H dujos2↑.
- Atskiestų rūgščių reakcija su metalais, kad susidarytų druskos ir H2↑.
- Šarmų veikimas siliciui, aliuminiui ir cinkui taip pat skatina vandenilio išsiskyrimą kartu su sudėtingų druskų susidarymu.
Pramonės interesais dujos gaunamos tokiais būdais:
- Šiluminis metano skilimas, esant katalizatoriui, iki jį sudarančių paprastų medžiagų (350 laipsnių pasiekia tokio rodiklio reikšmę kaip temperatūra) - vandenilis H2↑ ir anglis C.
- Garų vandens praleidimas per koksą 1000 laipsnių Celsijaus temperatūroje, kad susidarytų anglies dioksidas CO2 ir H2↑ (labiausiai paplitęs metodas)
- Dujinio metano pavertimas nikelio katalizatoriumi, kai temperatūra siekia 800 laipsnių.
- Vandenis yra kalio arba natrio chloridų vandeninių tirpalų elektrolizės šalutinis produktas.
Cheminėsąveika: bendrieji dalykai
Fizikinės vandenilio savybės daugiausia paaiškina jo elgesį reakcijos procesuose su vienu ar kitu junginiu. Vandenilio valentingumas yra 1, nes periodinėje lentelėje jis yra pirmoje grupėje, o oksidacijos laipsnis rodo kitą. Visuose junginiuose, išskyrus hidridus, vandenilis s.o.=(1+), tokiose molekulėse kaip ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Vandenilio dujų molekulė, susidariusi sukūrus apibendrintą elektronų porą, susideda iš dviejų atomų ir yra gana stabili energetiškai, todėl normaliomis sąlygomis ji yra šiek tiek inertiška ir, pasikeitus normalioms sąlygoms, vyksta reakcijas. Atsižvelgiant į vandenilio oksidacijos laipsnį kitų medžiagų sudėtyje, jis gali veikti ir kaip oksidatorius, ir kaip reduktorius.
Medžiagos, su kuriomis jis reaguoja ir sudaro vandenilį
Elementų sąveika formuojant sudėtingas medžiagas (dažnai aukštesnėje temperatūroje):
- Šarminis ir šarminių žemių metalas + vandenilis=hidridas.
- Halogenas + H2=vandenilio halogenidas.
- Siera + vandenilis=vandenilio sulfidas.
- Deguonis + H2=vanduo.
- Anglis + vandenilis=metanas.
- Azotas + H2=amoniakas.
Sąveika su sudėtingomis medžiagomis:
- Sintezės dujų gamyba iš anglies monoksido ir vandenilio.
- Metalų atgavimas iš oksidų naudojant H2.
- Nesočiųjų alifatinių medžiagų prisotinimas vandeniliuangliavandeniliai.
Vandenilinė jungtis
Vandenilio fizinės savybės yra tokios, kad leidžia jam, kartu su elektronegatyviu elementu, sudaryti specialų ryšį su tuo pačiu atomu iš gretimų molekulių, turinčių nepasidalijusias elektronų poras (pavyzdžiui, deguonies, azotas ir fluoras). Aiškiausias pavyzdys, kuriuo remiantis geriau apsvarstyti tokį reiškinį, yra vanduo. Galima sakyti, kad jis yra susiūtas vandeniliniais ryšiais, kurie yra silpnesni nei kovalentiniai ar joniniai, tačiau dėl to, kad jų yra daug, jie daro didelę įtaką medžiagos savybėms. Iš esmės vandenilio jungtis yra elektrostatinė sąveika, kuri sujungia vandens molekules į dimerus ir polimerus, todėl pakyla jo virimo temperatūra.
Vandilis mineraliniuose junginiuose
Visų neorganinių rūgščių sudėtis apima protoną – atomo, pavyzdžiui, vandenilio, katijoną. Medžiaga, kurios rūgšties liekanos oksidacijos laipsnis yra didesnis nei (-1), vadinama daugiabaziu junginiu. Jame yra keli vandenilio atomai, todėl disociacija vandeniniuose tirpaluose yra daugiapakopė. Kiekvienas paskesnis protonas vis sunkiau atsiskiria nuo likusios rūgšties. Pagal kiekybinį vandenilio kiekį terpėje nustatomas jos rūgštingumas.
Vandenilyje taip pat yra bazių hidroksilo grupių. Juose vandenilis yra prijungtas prie deguonies atomo, todėl šios šarmo liekanos oksidacijos būsena visada lygi (-1). Hidroksilų kiekis terpėje lemia jos šarmiškumą.
Taikymas žmogaus veikloje
Cilindrai su medžiaga, taip pat talpyklos su kitomis suskystintomis dujomis, pavyzdžiui, deguonimi, turi specifinę išvaizdą. Jie nudažyti tamsiai žaliai su ryškiai raudonu užrašu „Hydrogen“. Dujos į cilindrą pumpuojamos maždaug 150 atmosferų slėgiu. Vandenilio fizinės savybės, ypač dujinės agregacijos būsenos lengvumas, naudojamos užpildant jį mišiniu su helio balionais, balionais ir kt.
Vandilis, kurio fizines ir chemines savybes žmonės išmoko naudoti prieš daugelį metų, šiuo metu naudojamas daugelyje pramonės šakų. Didžioji jo dalis skiriama amoniako gamybai. Vandenilis taip pat dalyvauja metalų (hafnio, germanio, galio, silicio, molibdeno, volframo, cirkonio ir kt.) gamyboje iš oksidų, kurie reakcijoje veikia kaip reduktorius, vandenilio cianido ir druskos rūgštys, metilo alkoholis ir dirbtinis skystis. kuro. Maisto pramonė jį naudoja augaliniams aliejams paversti kietais riebalais.
Nustatė vandenilio chemines savybes ir panaudojimą įvairiuose riebalų, anglių, angliavandenilių, alyvų ir mazuto hidrinimo ir hidrinimo procesuose. Jo pagalba gaminami brangakmeniai, kaitrinės lempos, kaliami ir virinami metalo gaminiai veikiant deguonies-vandenilio liepsnai.
