Фізічныя ўласцівасці вадароду. Ўласцівасці і прымяненне вадароду

Гидроген Н - хімічны элемент, адзін з самых распаўсюджаных у нашай Сусвету. Маса вадароду як элемента ў складзе рэчываў складае 75% ад агульнага ўтрымання атамаў іншага тыпу. Ён уваходзіць у найважнейшае і жыццёва неабходнае злучэнне на планеце - ваду. Адметнай асаблівасцю вадароду таксама з'яўляецца тое, што ён першы элемент у перыядычны сістэме хімічных элементаў Д. І. Мендзялеева.

Адкрыццё і даследаванне

Першыя згадкі пра вадародзе ў працах Парацэльса датуюцца шаснаццатым стагоддзем. Але яго вылучэнне з газавай сумесі паветра і даследаванне гаручых уласцівасцяў былі зроблены ўжо ў сямнаццатым стагоддзі навукоўцам Лемер. Дасканала вывучыў гидроген англійская хімік, фізік і прыродазнавец Генры Кавендыш, які дасведчаным шляхам даказаў, што маса вадароду найменшая ў параўнаньні зь іншымі газамі. У наступных этапах развіцця навукі многія навукоўцы працавалі з ім, у прыватнасці Лавуазье, які назваў яго «нараджалася ваду».

Характарыстыка па становішчы ў ПСХЭ

Элемент, які адкрывае перыядычную табліцу Д. І. Мендзялеева, - гэта вадарод. Фізічныя і хімічныя ўласцівасці атама праяўляюць нейкую дваістасць, так як гидроген адначасова адносяць да першай групы, галоўнай падгрупе, калі ён паводзіць сябе як метал і аддае адзіны электрон ў працэсе хімічнай рэакцыі, і да сёмай - у выпадку поўнага запаўнення валентнай абалонкі, то ёсць прыёме адмоўнай часціцы, што характарызуе яго як падобны галагенавыя.

Асаблівасці электроннай будовы элемента

Ўласцівасці атама вадароду, складаных рэчываў, у склад якіх ён уваходзіць, і самога простага рэчывы Н ₂ у першую чаргу вызначаюцца электроннай канфігурацыяй гидрогена. Часціца мае адзін электрон з Z = (-1), які круціцца па сваёй арбіце вакол ядра, які змяшчае адзін пратон з адзінкавай масай і станоўчым зарадам (+1). Яго электронная канфігурацыя запісваецца як 1s ^1, што азначае наяўнасць адной адмоўнай часціцы на самай першай і адзінай для гидрогена s-арбіталь.

Пры адрыве або аддачы электрона, а атам гэтага элемента мае такое ўласцівасць, што лучыць яго з металамі, атрымліваецца катыён. Па сутнасці іён вадароду - гэта станоўчая элементарная часціца. Таму пазбаўлены электрона гидроген называюць папросту пратонам.

фізічныя ўласцівасці

Калі апісваць фізічныя ўласцівасці вадароду коратка, то гэта бескаляровы, малорастворимый газ з адноснай атамнай масай роўнай 2, у 14,5 разы лягчэй, чым паветра, з тэмпературай звадкаванні, якая складае -252,8 градуса Цэльсія.

На вопыце можна лёгка пераканацца ў тым, што Н ₂ самы лёгкі. Для гэтага дастаткова напоўніць тры шара рознымі рэчывамі - вадародам, вуглякіслым газам, звычайным паветрам - і адначасова выпусціць іх з рукі. Хутчэй за ўсіх дасягне зямлі той, які напоўнены СА _2, пасьля яго апусціцца надзьмуты паветранай сумессю, а які змяшчае Н ₂ зусім падымецца да столі.

Маленькая маса і памер часціц вадароду абгрунтоўваюць яго здольнасць пранікаць праз розныя рэчывы. На прыкладзе таго ж шара ў гэтым лёгка пераканацца, праз пару дзён ён сам садзьмецца, так як газ проста пройдзе праз гуму. Таксама вадарод можа назапашвацца ў структуры некаторых металаў (паладый або плаціна), а пры павышэнні тэмпературы выпарацца з яе.

Ўласцівасць малорастворимости вадароду выкарыстоўваюць у лабараторнай практыцы для яго вылучэння спосабам выцяснення вады. Фізічныя ўласцівасці вадароду (табліца, намаляваная ніжэй, змяшчае асноўныя параметры) вызначаюць сферы яго прымянення і метады атрымання.

ізатопнага склад

Як і многія іншыя прадстаўнікі перыядычнай сістэмы хімічных элементаў, гидроген мае некалькі прыродных ізатопаў, то ёсць атамаў з аднолькавым лікам пратонаў у ядры, але розным лікам нейтронаў - часціц з нулявым зарадам і адзінкавай масай. Прыклады атамаў, якія валодаюць падобным уласцівасцю - кісларод, вуглярод, хлор, бром і іншыя, у тым ліку радыеактыўныя.

Фізічныя ўласцівасці вадароду ¹ Н, самага распаўсюджанага з прадстаўнікоў дадзенай групы, значна адрозніваюцца ад такіх жа характарыстык яго субратаў. У прыватнасці, адрозніваюцца асаблівасці рэчываў, у склад якіх яны ўваходзяць. Так, існуе звычайная і дейтерированная вада, якая змяшчае ў сваім складзе замест атама вадароду з адным-адзіным пратонам дэйтэрый ² Н - яго ізатоп з двума элементарнымі часціцамі: станоўчай і незараджаныя. Гэты ізатоп ў два разы цяжэй звычайнага гидрогена, што і тлумачыць кардынальнае адрозненне ў уласцівасцях злучэнняў, якія яны складаюць. У прыродзе дэйтэрый сустракаецца ў 3200 разоў радзей, чым вадарод. Трэці прадстаўнік - трыцій ³ Н, у ядры ён мае два нейтрона і адзін пратон.

Спосабы атрымання і вылучэнні

Лабараторныя і прамысловыя метады атрымання вадароду вельмі адрозніваюцца. Так, у малых колькасцях газ атрымліваюць у асноўным з дапамогай рэакцый, у якіх удзельнічаюць мінеральныя рэчывы, а буйнамаштабныя вытворчасці ў большай ступені выкарыстоўваюць арганічны сінтэз.

У лабараторыі ўжываюць наступныя хімічныя ўзаемадзеяння:

1. Рэакцыя шчолачных і шчолачназямельныя металаў з вадой з адукацыяй шчолачы і шуканага газу.
2. Электроліз воднага раствора электраліта, на анодзе вылучаецца Н ₂ ↑, а на катодзе - кісларод.
3. Разлажэнне гидридов шчолачных металаў вадой, прадуктамі з'яўляюцца шчолач і, адпаведна, газ Н ₂ ↑.
4. Узаемадзеянне разведзеных кіслот з металамі з адукацыяй соляў і Н ₂ ↑.
5. Дзеянне шчолачаў на крэмній, алюміній і цынк таксама спрыяе вылучэнню вадароду паралельна з адукацыяй комплексных соляў.

У прамысловых інтарэсах газ атрымліваюць такімі метадамі, як:

1. Тэрмічнае раскладанне метану ў прысутнасці каталізатара да складнікаў яго простых рэчываў (350 градусаў дасягае значэнне такога паказчыка, як тэмпература) - вадароду Н ₂ ↑ і вугляроду С.
2. Прапусканне парападобны вады праз кокс пры 1000 градусаў Цэльсія з адукацыяй вуглякіслага газу СА ₂ і Н ₂ ↑ (самы распаўсюджаны метад).
3. Канверсія газападобнага метану на нікелевай каталізатары пры тэмпературы, якая дасягае 800 градусаў.
4. Вадарод з'яўляецца пабочным прадуктам пры электролізе водных раствораў хларыдаў калія або натрыю.

Хімічныя ўзаемадзеяння: агульныя палажэнні

Фізічныя ўласцівасці вадароду шмат у чым тлумачаць яго паводзіны ў працэсах рэагавання з тым ці іншым злучэннем. Валентнасць гидрогена раўняецца 1, так як ён у табліцы Мендзялеева размешчаны ў першай групе, а ступень акіслення праяўляе розную. Ва ўсіх злучэннях, акрамя гидридов, вадарод у с.о. = (1+), у малекулах тыпу ХН, ХН _2, ХН ₃ - (1-).

Малекула газу вадароду, адукаваная з дапамогай стварэння абагульненай электроннай пары, складаецца з двух атамаў і даволі ўстойлівая энергетычна, менавіта таму пры нармальных умовах некалькі інэртная і ў рэакцыі ўступае пры змене нармальных умоў. У залежнасці ад ступені акіслення вадароду ў складзе іншых рэчываў, ён можа выступаць як у якасці акісляльніка, так і аднаўляльніка.

Рэчывы, з якімі рэагуе і якія ўтварае вадарод

Элементная ўзаемадзеяння з адукацыяй складаных рэчываў (часта пры падвышаных тэмпературах):

1. Шчолачны і шчолачназямельныя метал + вадарод = гидрид.
2. Галаген + Н ₂ = галогеноводород.
3. Сера + вадарод = серавадарод.
4. Кісларод + Н ₂ = вада.
5. Вуглярод + вадарод = метан.
6. Азот + Н ₂ = аміяк.

Ўзаемадзеянне са складанымі рэчывамі:

1. Атрыманне сінтэз-газу з монааксіду вугляроду і вадароду.
2. Аднаўленне металаў з іх аксідаў з дапамогай Н _2.
3. Насычэнне вадародам непредельных аліфаціческіе вуглевадародаў.

вадародная сувязь

Фізічныя ўласцівасці вадароду такія, што дазваляюць яму, знаходзячыся ў злучэнні з Электраадмо элементам, утвараць асаблівы тып сувязі з такім жа атамам з суседніх малекул, якія маюць неподелённые электронныя пары (напрыклад, кіслародам, азотам і фторам). Найлепшы прыклад, на якім лепш разгледзець падобная з'ява, - гэта вада. Яна, можна сказаць, прашытая вадароднымі сувязямі, якія слабым кавалентных або іённых, але за кошт таго, што іх шмат, аказваюць значны ўплыў на ўласцівасці рэчывы. Па сутнасці, вадародная сувязь - гэта электрастатычнае ўзаемадзеянне, якое звязвае малекулы вады ў дымеры і палімеры, абгрунтоўваючы яе высокую тэмпературу кіпення.

Гидроген у складзе мінеральных злучэнняў

У склад усіх неарганічных кіслот ўваходзіць пратон - катыён такога атама, як вадарод. Рэчыва, кіслотны рэшту якога мае ступень акіслення больш (-1), называецца многоосновным злучэннем. У ім прысутнічае некалькі атамаў вадароду, што робіць дысацыяцыю ў водных растворах шматступеннай. Кожны наступны пратон адрываецца ад астатку кіслаты ўсё цяжэй. Па колькасным зместу вадароду ў асяроддзі вызначаецца яго кіслотнасць.

Вадарод ўтрымліваюць і гидроксильные групы падстаў. У іх вадарод злучаны з атамам кіслароду, у выніку ступень акіслення гэтага астатку шчолачы заўсёды роўная (-1). Па змесце гидроксилов ў асяроддзі вызначаецца яе асноўнае.

Прымяненне ў дзейнасці чалавека

Балоны з рэчывам, гэтак жа як і ёмістасці з іншымі звадкаваны газамі, напрыклад кіслародам, маюць спецыфічны знешні выгляд. Яны выфарбаваныя ў цемнавата-зялёны колер з ярка-чырвонай надпісам «Вадарод». Газ запампоўваюць у балон пад ціскам каля 150 атмасфер. Фізічныя ўласцівасці вадароду, у прыватнасці лёгкасць газападобнага агрэгатнага стану, выкарыстоўваюць для напаўнення ім у сумесі з геліем аэрастатаў, шароў-зондаў і г.д.

Вадарод, фізічныя і хімічныя ўласцівасці якога людзі навучыліся выкарыстоўваць шмат гадоў таму, на сённяшні момант задзейнічаны ў многіх галінах прамысловасці. Асноўная яго маса ідзе на вытворчасць аміяку. Таксама вадарод ўдзельнічае ў атрыманні металаў (гафнія, германію, Галіі, крэмнія, малібдэна, вальфраму, цырконія і іншых) з вокіслаў, выступаючы ў рэакцыі ў якасці аднаўляльніка, прускім і салянай кіслот, метылавага спірту, а таксама штучнага вадкага паліва. Харчовая прамысловасць выкарыстоўвае яго для ператварэння раслінных алеяў у цвёрдыя тлушчы.

Вызначылі хімічныя ўласцівасці і прымяненне вадароду ў розных працэсах гидрогенизации і гидрирования тлушчаў, вуглёў, вуглевадародаў, алеяў і мазуту. З дапамогай яго вырабляюць каштоўныя камяні, лямпы напальвання, праводзяць каванне і зварку металічных вырабаў пад уздзеяннем кіслароднае-вадароднага полымя.