ВОДЕНЬ: ІСТОРІЯ, СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ ТА СФЕРИ ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Водню являє собою хімічний елемент , який представлений символом H. атом є найменшим з усіх і є одним , який починається періодичної таблиці, незалежно від того , де позиціонується. Він складається з безбарвного газу, що складається з двоатомних молекул H ₂ , а не ізольованих атомів Н; як з благородними газами He, Ne, Ar, серед інших.

З усіх елементів він, мабуть, найбільш емблематичний і видатний не тільки за своїми властивостями в наземних чи драстичних умовах, але і за величезною численністю та різноманітністю його сполук. Водень - це газ, хоча інертний за відсутності вогню, горючий та небезпечний; тоді як вода, H ₂ O, є універсальним і життєздатним розчинником.

Червоні балони, що використовуються для зберігання водню. Джерело: Фамартін

Сам по собі водень не виявляє жодних візуальних особливостей, гідних захоплення, будучи просто газом, який зберігається в балонах або червоних пляшках. Однак саме її властивості та здатність зв'язуватися з усіма елементами робить водень особливим. І все це, незважаючи на те, що в ньому є лише один валентний електрон.

Якби водень не зберігався у відповідних балонах, він би втік у космос, тоді як значна частина реагує на сходження. І хоча він має дуже низьку концентрацію в повітрі, яке ми дихаємо, поза Землею та в решті Всесвіту, він є найпоширенішим елементом, що знаходиться у зірках і вважається його одиницею побудови.

На Землі, з іншого боку, він становить близько 10% від його загальної маси. Щоб уявити, що це означає, необхідно враховувати, що поверхня планети практично покрита океанами і що водень міститься в мінералах, у сирій нафті та в будь-якій органічній сполуці, крім того, що є частиною всіх живих істот.

Як і вуглець, всі біомолекули (вуглеводи, білки, ферменти, ДНК тощо) мають атоми водню. Тому існує чимало джерел для їх вилучення або отримання; однак, мало хто представляє справді вигідні методи виробництва.

Історія

Ідентифікація та ім’я

Хоча в 1671 р. Роберт Бойл вперше став свідком газу, який утворився, коли чавунні реакції реагували з кислотами, британський учений Генрі Кавендіш у 1766 році визнав його новою речовиною; "горюче повітря".

Кавендіш виявив, що при згорінні цього нібито горючого повітря утворюється вода. На основі своєї праці та результатів французький хімік Антуан Лавуазьє назвав цей газ ім'ям водню в 1783 році. Етимологічно його значення походить від грецьких слів "гідро" та "гени": утворює воду.

Електроліз та паливо

Незабаром у 1800 р. Американські вчені Вільям Ніколсон та сер Ентоні Карлайл виявили, що вода може розкладатися на водень та кисень; вони виявили електроліз води. Пізніше, у 1838 році, швейцарський хімік Крістіан Фрідріх Шенбейн вніс ідею скористатися згорянням водню для отримання електроенергії.

Популярність водню була такою, що навіть письменник Жюль Верн назвав це паливом майбутнього у своїй книзі «Таємничий острів» (1874).

Ізоляція

У 1899 р. Шотландський хімік Джеймс Девар вперше виділив водень як скраплений газ, будучи самим собою тим, хто зміг його охолодити достатньо, щоб отримати його в твердій фазі.

Два канали

З цього моменту історія водню представляє два канали. З одного боку, його розвиток у галузі палив та акумуляторів; а з іншого - розуміння будови його атома та того, як він представляв елемент, який відкрив двері квантовій фізиці.

Структура та електронна конфігурація

Двоатомна молекула водню. Джерело: Benjah-bmm27

Атоми водню дуже малі і мають лише один електрон для утворення ковалентних зв’язків. Коли два з цих атомів приєднуються, вони утворюють діатомічну молекулу, H ₂ ; це молекулярний водень (верхнє зображення). Кожна біла сфера відповідає окремому атому Н, а глобальна сфера - молекулярним орбіталям.

Таким чином, водень насправді складається з дуже малих молекул Н ₂ , які взаємодіють через лондонські сили розсіювання, оскільки їм не вистачає дипольного моменту, оскільки вони є гомоядерними. Тому вони дуже "неспокійні" і швидко поширюються в просторі, оскільки немає достатньо сильних міжмолекулярних сил, щоб їх сповільнити.

Електронна конфігурація водню просто 1s ¹ . Ця орбіталь, 1s, є результатом розв’язання знаменитого рівняння Шредінгера для атома водню. У H ₂ дві орбіталі 1s перекриваються, утворюючи дві молекулярні орбіталі: одна зв'язувальна, а інша антизв'язувальна, відповідно до теорії молекулярної орбіталі (TOM).

Ці орбіталі дозволяють або пояснюють існування іонів H ₂ ⁺ або H ₂ ^- ; проте хімія водню визначається в нормальних умовах іонами H ₂ або H ⁺ або H ^- .

Окислювальні числа

З конфігурації електронів для водню, 1s ¹ , дуже легко передбачити його можливі числа окислення; маючи на увазі, звичайно, що орбіталь 2-х вищих енергій недоступний для хімічних зв'язків. Таким чином, у базальному стані водень має окислювальне число 0, H ⁰ .

Якщо він втрачає єдиний електрон, орбітала 1s залишається порожньою, а катіон водню або іон, Н ⁺ , утворюється з великою рухливістю майже в будь-якому рідкому середовищі; особливо вода. У цьому випадку його число окислення дорівнює +1.

А коли станеться протилежне, тобто набравши електрон, орбітал тепер матиме два електрони і стане 1s ² . Тоді число окислення стає -1 і відповідає аніону гідриду, H ^- . Варто зазначити, що Н ^- ізоелектронний для гелію благородного газу, Він; тобто обидва види мають однакову кількість електронів.

Підсумовуючи, окислювальне число водню становить: +1, 0 і -1, і молекула H ₂ має два атоми водню H ⁰ .

Фази

Кращою фазою водню, щонайменше, в наземних умовах, є газоподібна, внаслідок причин, які раніше були піддані впливу. Однак, коли температури знижуються в порядку -200 ° C або якщо тиск збільшується в сотні тисяч разів, ніж атмосферний, водень може конденсуватися або кристалізуватися відповідно до рідкої або твердої фази.

За цих умов молекули H ₂ можуть бути вирівняні різними способами для визначення структурних зразків. Сили розсіювання в Лондоні тепер стають сильно направленими, і тому з'являються геометрії або симетрії, прийняті парами H ₂ .

Наприклад, дві пари H ₂ , це те, що дорівнює запису (H ₂ ) ₂ визначають симетричний або асиметричний квадрат. Тим часом три пари H ₂ або (H ₂ ) ₃ визначають шестикутник, дуже подібний до вуглецю в кристалах графіту. Фактично ця гексагональна фаза є основною або найбільш стійкою фазою для твердого водню.

Але що робити, якщо тверда речовина складається не з молекул, а з атомів Н? Тоді ми мали б справу з металевим воднем. Ці атоми Н, нагадуючи білі сфери, можуть визначати як рідку фазу, так і металеве тверде тіло.

Властивості

Зовнішність

Водень - безбарвний газ, без запаху та несмаку. Тому витік є небезпекою вибуху.

Точка кипіння

-253 ° С.

Точка плавлення

-259 ° С.

Температура спалаху та стабільність

Він вибухає практично при будь-якій температурі, якщо поблизу газу є джерело іскри або тепла, навіть сонячне світло може запалити водень. Однак, поки він добре зберігається, він погано реагує на газ.

Щільність

0,082 г / л. Він у 14 разів легший за повітря.

Розчинність

1,62 мг / л при 21 ° С у воді. Він, загалом кажучи, нерозчинний у більшості рідин.

Тиск пари

1,24 · 10 ⁶ мм рт.ст. при 25 ° С. Це значення дає уявлення про те, наскільки закритими повинні бути циліндри водню, щоб запобігти виходу газу.

Температура автозапуску

560v ° C.

Електронегативність

2,20 за шкалою Полінга.

Теплота горіння

-285,8 кДж / моль.

Тепло випаровування

0,90 кДж / моль.

Тепло синтезу

0,17 кДж / моль.

Ізотопи

"Нормальним" атомом водню є протиум, ¹ H, що становить близько 99,985% водню. Інші два ізотопи цього елемента - дейтерій, ² H та тритій, ³ H. Вони відрізняються кількістю нейтронів; дейтерій має один нейтрон, а тритій - два.

Спінові ізомери

Існує два типи молекулярного водню, Н ₂ : орто та пара. По-перше, два спіна (протона) атомів Н орієнтовані в одному напрямку (вони паралельні); в той час як у другому два віджимання знаходяться в протилежних напрямках (вони є протипаралельними).

Водород-пара є більш стійким із двох ізомерів; Але з підвищенням температури співвідношення орто: пара стає 3: 1, це означає, що водне-орто-ізомер переважає над іншим. При дуже низьких температурах (віддалено близьких до абсолютного нуля, 20 К) можна отримати чисті воднево-пара проби.

Номенклатура

Номенклатура для позначення водню - одна з найпростіших; хоча це не однаковий спосіб для його неорганічних чи органічних сполук. H ₂ можна назвати наступними назвами на додаток до "водню":

-Молекулярний водень

-Діводень

-Діатомна молекула водню.

Для іона Н ⁺ їх назви - іон протона або водню; і якщо він знаходиться у водному середовищі, H ₃ O ⁺ , катіон гідронію. Тоді як іон Н ^- гідридний аніон.

Атом водню

Атом водню представлений планетарною моделлю Бора. Джерело: Pixabay.

Атом водню є найпростішим з усіх і, як правило, представлений так, як на зображенні вище: ядро ​​з єдиним протоном (за ¹ год), оточене електроном, який малює орбіту. Усі атомні орбіталі для інших елементів періодичної таблиці побудовані та оцінені на цьому атомі.

Більш вірним уявленням про сучасне розуміння атомів було б сферу, периферія якої визначається електронною та ймовірнісною хмарою електрона (його орбітала 1s).

Де знайти і виробництво

Поле зірок: невичерпне джерело водню. Джерело: Pixabay.

Водень - хоч, можливо, меншою мірою порівняно з вуглецем, хімічний елемент, про який можна сказати, без сумніву, всюди; у повітрі, що входить до складу води, яка заповнює моря, океани та наші тіла, у сирої нафті та мінералах, а також у органічних сполуках, які зібрані для породження життя.

Просто прогляньте будь-яку бібліотеку сполук, щоб знайти в них атоми водню.

Питання не стільки в тому, скільки в тому, як воно є. Наприклад, молекула Н ₂ настільки летлива і реактивна при падінні сонячного світла, що в атмосфері дуже мало; отже, він реагує на приєднання інших елементів і тим самим здобуває стабільність.

Хоча вище в космосі, водень переважно знаходиться як нейтральні атоми, H.

Фактично водень розглядається в його металевій та конденсованій фазі як будівельна одиниця зірок. Оскільки їх незмірна кількість і завдяки своїй стійкості та колосальним розмірам, вони роблять цей елемент найпоширенішим у всьому Всесвіті. Підраховано, що 75% відомої речовини відповідає атомам водню.

природні

Збір пухких атомів водню в космосі звучить недоцільно, і витягнути їх із периферії Сонця, або туманностей, недосяжно. На Землі, де її умови змушують цей елемент існувати як H ₂ , він може бути вироблений за допомогою природних або геологічних процесів.

Наприклад, водень має свій природний цикл, в якому певні бактерії, мікроби та водорості можуть генерувати його за допомогою фотохімічних реакцій. Масштабування природних процесів і паралельно цим включає використання біореакторів, де бактерії харчуються вуглеводнями для вивільнення міститься в них водню.

Живі також є виробниками водню, але меншою мірою. Якби це не так, не можна було б пояснити, як він є одним із газоподібних компонентів метеоризму; які виявилися надмірно легкозаймистими.

Нарешті, варто згадати, що в анаеробних умовах (без кисню), наприклад, у підземних шарах, мінерали можуть повільно реагувати з водою, утворюючи водень. Реакція Файєліти доводить це:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

Промислові

Хоча біоводень є альтернативою для отримання цього газу в промислових масштабах, найбільш використовувані методи практично полягають у «видаленні» водню із сполук, що містять його, так що його атоми об’єднуються та утворюють Н ₂ .

Найменш екологічно чисті способи його отримання - це реакція коксу (або деревного вугілля) з перегрітою парою:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

Аналогічно для цього використовували природний газ:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

А оскільки кількість коксу або природного газу величезна, видобувати водень можна за допомогою будь-якої з цих двох реакцій.

Інший спосіб отримання водню полягає у застосуванні електричного розряду до води, щоб розбити його на його елементарні частини (електроліз):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

У лабораторії

Молекулярний водень можна приготувати в невеликій кількості в будь-якій лабораторії. Для цього активний метал повинен прореагувати з сильною кислотою або в стакані, або в пробірці. Спостережуваний барбот - це явна ознака утворення водню, представлений наступним загальним рівнянням:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

Де n - валентність металу. Наприклад, магній реагує з Н ^+, утворюючи Н ₂ :

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

Реакції

Redox

Номери окислення самі по собі дають перший погляд на те, як водень бере участь у хімічних реакціях. Н ₂ при взаємодії може залишатися незмінним або розщеплюватися на іони Н ⁺ або Н ^- залежно від того, з якими видами він пов'язується; якщо вони більш-менш електронегативні за нього.

Н ₂ не дуже реакційноздатний через силу свого ковалентного зв'язку, НН; однак це не є абсолютною перешкодою для реакції та утворення сполук майже з усіма елементами періодичної таблиці.

Найвідоміша його реакція - з кисневим газом для утворення водяної пари:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

І така його спорідненість до кисню утворює стійку молекулу води, що навіть може реагувати з нею як аніон O ^2- у певних оксидах металів:

H ₂ (g) + CuO (s) → Cu (s) + H ₂ O (l)

Оксид срібла також реагує або «знижується» тією ж реакцією:

H ₂ (g) + AgO (s) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Ці водневі реакції відповідають окислювально-відновного типу. Тобто відновлення-окислення. Водень окислюється як у присутності кисню, так і в оксидах металів металів, що менш реагують на нього; наприклад, мідь, срібло, вольфрам, ртуть і золото.

Поглинання

Деякі метали можуть поглинати газ водню з утворенням гідридів металів, які вважаються сплавами. Наприклад, перехідні метали, такі як паладій, поглинають значну кількість Н _2, схожі на металеві губки.

Те саме відбувається з більш складними металевими сплавами. Таким чином водень може зберігатися іншими способами, ніж його балони.

Доповнення

Органічні молекули також можуть "поглинати" водень через різні молекулярні механізми та / або взаємодії.

Для металів молекули H ₂ оточені атомами металу всередині їх кристалів; в той час як в органічних молекулах зв'язок HH розривається, утворюючи інші ковалентні зв’язки. У більш формалізованому сенсі: водень не поглинається, а додається до структури.

Класичний приклад - додавання H ₂ до подвійної або потрійної зв'язку алкенів або алкінів відповідно:

C = C + H ₂ → HCCH

C≡C + H ₂ → HC = CH

Ці реакції також називають гідрування.

Утворення гідридів

Водень безпосередньо реагує з елементами, утворюючи сімейство хімічних сполук, які називаються гідридами. Вони переважно бувають двох видів: сольові та молекулярні.

Так само існують металеві гідриди, які складаються з металічних сплавів, вже згаданих, коли ці метали поглинають газ водню; і полімерні, з мережами або ланцюжками зв’язків EH, де E позначає хімічний елемент.

Сольовий розчин

У сольових гідридах водень бере участь в іонному зв’язку як аніон гідриду, H ^- . Для цього елемент обов'язково повинен бути менш електронегативним; інакше він би не віддав своїх електронів водню.

Тому гідриди солі утворюються лише тоді, коли водень реагує з високоелектропозитивними металами, такими як лужні та лужноземельні метали.

Наприклад, водень реагує з металевим натрієм з утворенням гідриду натрію:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

Або з барієм для отримання гідриду барію:

Ba (s) + H ₂ (g) → BaH ₂ (s)

Молекулярний

Молекулярні гідриди навіть відомі, ніж іонні. Їх також називають галогенідами водню, HX, коли водень реагує з галогеном:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCl (g)

Тут водень бере участь у ковалентній зв'язку як Н ⁺ ; оскільки різниці між електронегативами між обома атомами не дуже великі.

Саму воду можна розглядати як гідрид кисню (або оксид водню), реакція утворення якого вже обговорювалася. Реакція з сіркою дуже схожа на отримання сірководню, смердючого газу:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

Але з усіх молекулярних гідридів найвідомішим (і, можливо, найскладнішим для синтезу) є аміак:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

Програми

У попередньому розділі вже було розглянуто одне з основних напрямків використання водню: як сировини для розвитку синтезу, неорганічного чи органічного. Контроль цього газу зазвичай не має іншої мети, ніж змусити його реагувати на створення інших сполук, крім тих, з яких він був видобутий.

Сирий матеріал

- Це один із реагентів для синтезу аміаку, який, у свою чергу, має нескінченне промислове застосування, починаючи з виробництва добрив, навіть як матеріал для нітрогенації ліків.

- Він призначений для реакції з оксидом вуглецю і, таким чином, масово виробляє метанол, реагент, що має велике значення в біопаливі.

Відновлюючий засіб

- Це відновлюючий засіб для певних оксидів металів, саме тому його використовують у металургійному відновленні (вже пояснено у випадку з міддю та іншими металами).

- Зменшити жири або олії для отримання маргарину.

Нафтова промисловість

У нафтовій промисловості водень використовується для "гідроочищення" сирої нафти в процесах рафінування.

Наприклад, він прагне фрагментувати великі і важкі молекули на дрібні молекули з більшим попитом на ринку (гідрокрекінг); вивільнення металів, захоплених у клітинах петропорфірину (гідродеметалізація); видалити атоми сірки у вигляді H ₂ S (гідродесульфурація); або зменшити подвійні зв’язки, щоб створити суміші, багаті парафіном.

Паливо

Сам водень є прекрасним паливом для ракет або космічних кораблів, оскільки невелика кількість його при взаємодії з киснем виділяє величезні кількості тепла чи енергії.

У менших масштабах ця реакція використовується для проектування водневих комірок або батарей. Однак ці клітини стикаються з труднощами не в змозі правильно зберігати цей газ; і завдання стати повністю незалежною від спалювання викопних палив.

З позитивного боку, водень, що використовується як паливо, виділяє лише воду; замість газів, які представляють засоби забруднення атмосфери та екосистем.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Ханью Лю, Лі Чжу, Венвен Куй та Янмін Ма. (Штат). Кімнатно-температурні структури твердого водню при високих тисках. Державна ключова лабораторія надтвердих матеріалів, Університет Цзілінь, Чанчун 130012, Китай.
3. П’єр-Марі Робіталь. (2011 р.). Рідкий металевий водень: будівельний блок для рідкого сонця. Кафедра радіології, Державний університет Огайо, 395 Вт. 12-а пр., Колумбус, штат Огайо, 43210, США.
4. Група Боднера. (sf). Хімія водню. Відновлено з: chemed.chem.purdue.edu
5. Вікіпедія. (2019). Водень. Відновлено з: en.wikipedia.org
6. Воднева Європа. (2017). Застосування водню. Відновлено: hydrogeneurope.eu
7. Фост Лора. (2019). Водень: Властивості та виникнення. Вивчення. Відновлено з: study.com
8. Джонас Джеймс. (4 січня 2009 р.). Історія водню. Відновлено з: altenergymag.com