ВОДОНИК: ИСТОРИЈА, СТРУКТУРА, СВОЈСТВА И УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Водоника је хемијски елемент који представља симболом Х. атом је најмања од свих и представља једну која покреће периодног система, без обзира где је постављен. Састоји се од безбојног гаса сачињен од Диатомиц Х ₂ молекула , неизолованим Х-атома; као и са племенитим гасовима Хе, Не, Ар, између осталих.

Од свих елемената, можда је најизразитији и најистакнутији, не само због својих својстава у земаљским или драстичним условима, већ због огромног обиља и разноликости својих једињења. Водоник је гас иако је инертан у недостатку ватре, запаљив и опасан; док води, Х ₂ О, је универзална и живот растварача.

Црвени цилиндри који се користе за складиштење водоника. Извор: Фамартин

Сам по себи водоник не показује никакве визуелне особине вредне дивљења, то је једноставно гас који се чува у цилиндрима или црвеним боцама. Међутим, његова својства и способност повезивања са свим елементима чине водоник посебним. И све то, упркос чињеници да има само један валентни електрон.

Да се ​​водоник не складишти у одговарајућим цилиндрима, могао би побјећи у свемир, док велики дио реагира на успон. Иако има веома малу концентрацију у ваздуху који удишемо, изван Земље и у остатку Универзума, то је најобилнији елемент, који се налази у звездама и сматра се његовом јединицом конструкције.

На другој страни, на Земљи представља око 10% његове укупне масе. Да бисмо визуализовали шта то значи, мора се узети у обзир да је површина планете практично прекривена океанима и да се водоник налази у минералима, у сировој нафти и у било којем органском једињењу, поред тога што је део свих живих бића.

Као и угљеник, све биомолекуле (угљени хидрати, протеини, ензими, ДНК, итд.) Имају атоме водоника. Стога, постоји много извора који се могу издвојити или произвести; међутим, мало их представља заиста профитабилне методе производње.

Историја

Идентификација и име

Иако је 1671. год. Роберт Боиле први пут био присутан гас који је настао када је гвожђе подносило реакцију са киселинама, британски научник Хенри Цавендисх је 1766. идентификовао то као нову супстанцу; "запаљиви ваздух".

Цавендисх је открио да када се тај наводно запаљиви зрак запалио, настала је вода. На основу свог рада и резултата, француски хемичар Антоине Лавоисиер дао је овом гасу име водоника 1783. Етимолошки његово значење потиче од грчке речи „хидро“ и „гени“: формирање воде.

Електролиза и гориво

Убрзо након тога, 1800., амерички научници Виллиам Ницхолсон и сир Антхони Царлисле открили су да се вода може разградити у водоник и кисеоник; открили су електролизу воде. Касније, 1838. године, швајцарски хемичар Цхристиан Фриедрицх Сцхоенбеин увео је идеју да искористи изгарање водоника за производњу електричне енергије.

Популарност водоника била је таква да га је чак и писац Јулес Верне у својој књизи Мистериозни оток (1874) навео као гориво будућности.

Изолација

Године 1899. шкотски хемичар Јамес Девар први је изоловао водоник као течни гас, будући да је и сам био тај који је био у стању да га охлади довољно да га добије у својој чврстој фази.

Два канала

Од овог тренутка историја водоника представља два канала. С једне стране, његов развој у области горива и батерија; с друге стране, разумевање структуре његовог атома и како он представља елемент који је отворио врата квантној физици.

Структура и електронска конфигурација

Дијатомски молекул водоника. Извор: Бењах-бмм27

Атоми водоника су врло мали и имају само један електрон да формира ковалентне везе. Док се двоје од ових атома придруже, дају порасте на двоатомски молекул, Х ₂ ; ово је молекулски водоник-гас (горња слика). Свака бела сфера одговара појединачном Х атому, а глобална сфера молекуларним орбиталима.

Тако, водоник заправо састоји од веома малог Х ₂ молекуле који међусобно комуницирају преко Лондона расејања снаге, јер им недостаје диполни момент јер су хомонуцлеар. Стога су веома "немирни" и брзо се шире у простору јер не постоје довољно снажне интермолекуларне силе које би их успориле.

Конфигурација електрона водоника је једноставно 1с ¹ . Ова орбитала, 1с, резултат је решавања чувене Сцхродингерове једначине за атом водоника. У Х2 _, две 1-е орбитале се преклапају да би формирале две молекуларне орбитале: једну везујућу, а другу анти-везивање, у складу са теоријом молекуларне орбитале (ТОМ).

Ови орбиталс дозвољавају или објаснити постојање јона Х ₂ ⁺ или Х ₂ ^- ; Међутим, водоник хемијски дефинисан под нормалним условима према Х ₂ или Х ⁺ или Х ^- јонима .

Оксидациони бројеви

Из конфигурације електрона за водоник, 1с ¹ , врло је лако предвидјети његове могуће оксидационе бројеве; имајући у виду, наравно, да више-енергетска 2-орбитала није доступна за хемијске везе. Дакле, у базалном стању водоник има оксидациони број 0, Х ⁰ .

Ако изгуби једини свој електрон, 1с орбитала остаје празна и формира се водоник катион или ион, Х ⁺ , који имају велику покретљивост у готово било којем течном медијуму; посебно воду. У овом случају, његов оксидациони број је +1.

А када се деси супротно, односно стекне електрон, орбитала ће сада имати два електрона и постаће 1с ² . Тада број оксидације постаје -1 и одговара хидридном аниону, Х ^- . Вреди напоменути да је Х ^- изоелектронски хелијуму племенитог гаса, Хе; то јест, обе врсте имају исти број електрона.

Укратко, оксидациони бројеви за водоник су: +1, 0 и -1 и молекул Х ₂ има за има два атома водоника Х ⁰ .

Фазе

Пожељна фаза водоника, барем у земаљским условима, је гасовита, због претходно изложених разлога. Међутим, када се температуре смање за -200 ° Ц или ако се притисак повећа стотинама хиљада пута атмосферским, водоник може да се кондензује или кристализује у течну или чврсту фазу.

Под овим условима, Х ₂ молекули могу бити поравнати на различите начине дефинишу узорци структуре. Тхе Лондон расејања снаге сада постала веома усмерени и према томе геометрије или симетрије које је усвојила Х ₂ појављују пара .

На пример, два пара Х ₂ , то је да једнак писање (Х ₂ ) ₂ дефинисати симетрични или асиметрични квадрат. У међувремену, три Х ₂ или (Х ₂ ) ₃ пара дефинисали шестоугао, веома сличан оном угљеника у графитних кристалима. У ствари, ова хексагонална фаза је главна или најстабилнија фаза за чврсти водоник.

Али шта ако чврсту супстанцу чине не молекули, већ Х атоми? Тада бисмо се бавили металним водоником. Ови Х-атоми, подсећајући на беле сфере, могу да дефинишу и течну фазу и металну чврсту супстанцу.

Својства

Физичка присутност

Водоник је гас без боје, мириса и укуса. Стога, цурење представља ризик од експлозије.

Тачка кључања

-253 ° Ц

Тачка топљења

-259 ° Ц

Тачка паљења и стабилност

Експлодира на готово било којој температури ако постоји извор искре или топлоте близу гаса, чак и сунчева светлост може запалити водоник. Међутим, све док се он добро складишти, то је слабо реактивни гас.

Густина

0,082 г / Л 14 пута је лакши од ваздуха.

Растворљивост

1,62 мг / Л на 21 ° Ц у води. Генерално је нерастворљив у већини течности.

Притисак паре

1,24 · 10 ⁶ ммХг на 25 ° Ц. Ова вредност даје представу колико затворени цилиндри водоника морају да буду да се спречи испуштање гаса.

температура самопаљења

560в ° Ц.

Електронегативност

2,20 по Паулинг-овој скали.

Топлина сагоревања

-285,8 кЈ / мол.

Топлина испаравања

0,90 кЈ / мол.

Топлина фузије

0.117 кЈ / мол.

Изотопи

"Нормалне" атом водоника је Протиум, ¹ Х, што чини око 99.985% водоника. Друга два изотопа за овај елемент су деутеријум, ² Х и тритијум, ³ Х. Они се разликују у броју неутрона; деутеријум има један неутрон, док тритијум има два.

Спин изомери

Постоје две врсте молекуларног водоника, Х ₂ : орто и пара. У првом, два спина (протона) Х атома су оријентисана у истом смеру (паралелна су); док су у другом два окрета у супротним смеровима (антипарални су).

Водоник-пара је стабилнији од два изомера; Али како температура расте, однос орто: пара постаје 3: 1, што значи да водоник-орто изомер превладава над другим. При врло ниским температурама (удаљеним близу апсолутне нуле, 20 К), могу се добити чисти узорци чистог водоника.

Номенклатура

Номенклатура која се односи на водоник је једна од најједноставнијих; иако то није исти начин за његова неорганска или органска једињења. Х ₂ може назвати следећим називима поред 'водоником':

-Молекуларни водоник

-Дихидроген

-Диатомски молекул водоника.

За Х ⁺ јон њихова имена су протонски или водоник јони; а ако је у воденом медијуму, Х ₃ О ⁺ , хидронијум катјон. Док је Х ^- јон хидридни анион.

Атом водоника

Ат водоник представљен Бохровим планетарним моделом. Извор: Пикабаи.

Атом водоника је најједноставнији од свих и обично је представљен као на слици горе: језгро са једним протоном (за ¹ Х), окружено електроном који извлачи орбиту. Све атомске орбитале за остале елементе периодичне табеле су изграђене и процењене на овом атому.

Вера вернија заступљеност тренутног разумевања атома била би она сфера чија је периферија дефинисана електроном и вероватноћом облака електрона (његова 1с орбитала).

Где се могу наћи и продуцирати

Поље звезда: неисцрпан извор водоника. Извор: Пикабаи.

Водоник је, мада у мањој мери у поређењу са угљеником, хемијски елемент за који се може рећи да нема сумње да постоји свуда; у ваздуху, чинећи део воде која испуњава мора, океане и наша тела, у сировој нафти и минералима, као и у органским једињењима која су састављена да дају живот.

Само прескочите било коју библиотеку једињења да бисте пронашли атоме водоника у њима.

Питање није толико у колико, већ у колико је присутно. На пример, молекул Х ₂ тако нестабилна и реактивну у учесталости сунчеве светлости, што је веома ниска у атмосфери; према томе, реагује на спајање других елемената и на тај начин добија стабилност.

Док је већи у космосу, водоник се претежно налази као неутрални атоми, Х.

У ствари, водоник се у својој металној и кондензованој фази сматра грађевинском јединицом звезда. Пошто их има неизмерних количина, а захваљујући својој робусности и колосалним димензијама, овај елемент чине најбројнијим у целом универзуму. Процењује се да 75% познате материје одговара атомима водоника.

природно

Сакупљање атома водоника изгубљених у свемиру звучи непрактично и извлачење из периферних подручја Сунца или маглина, недоступно. На Земљи, гдје њени услови снагу Овај елемент да постоји као Х ₂ , може се произвести путем природних или геолошких процеса.

На пример, водоник има свој природни циклус у коме одређене бактерије, микроби и алге могу да га стварају путем фотохемијских реакција. Скалирање природних процеса и паралелно са тим укључује употребу биореактора, где се бактерије хране угљоводоницима да би ослобађале водоник садржан у њима.

Живе ствари су такође произвођачи водоника, али у мањој мери. Да то није случај, не би било могуће објаснити како он представља једну од гасовитих компоненти надутости; за које је прекомерно доказано да су запаљиви.

На крају, вреди поменути да у анаеробним условима (без кисеоника), на пример у подземним слојевима, минерали могу да полако реагују с водом да би добили водоник. Фааиелитина реакција то доказује:

3Фе ₂ СиО ₄ + 2 Х ₂ О → 2 Фе ₃ О ₄ + 3 СиО ₂ + 3 Х ₂

Индустриал

Иако биохидроген је алтернатива да генерише овај гас у индустријским размерама, највише се користе методе се састоје од "уклањање" водоника из једињења која га садрже, тако да његове атоми уједине и формирају Х ₂ .

Најмање еколошки прихватљиви начини производње су реакцијом кокса (или угља) са прегрејаном паром:

Ц (с) + Х ₂ О (г) → ЦО (г) + Х ₂ (г)

Такође се у ту сврху користи природни гас:

ЦХ ₄ (г) + Х ₂ О (г) → ЦО (г) + 3 Х ₂ (г)

А пошто су количине кокса или природног гаса огромне, било је профитабилно стварати водоник било којом од ове две реакције.

Други начин добијања водоника је примјена електричног пражњења на води како би се разградио на своје елементарне дијелове (електролиза):

2 Х ₂ О (л) → 2 Х ₂ (г) + О ₂ (г)

У лабораторији

Молекуларни водоник се у малим количинама може припремити у било којој лабораторији. Да бисте то учинили, активни метал мора да реагује са јаком киселином, или у чаши или у епрувети. Запажени мехур је јасан знак стварања водоника, представљен следећом општом једначином:

М (с) + нХ ⁺ (ак) → М ^{н +} (ак) + Х ₂ (г)

Где је н валенција метала. На пример, магнезијум реагује са Х ⁺ произвести Х ₂ :

Мг (с) + 2Х ⁺ (ак) → Мг ²⁺ (ак) + Х ₂ (г)

Реакције

Редок

Оксидациони бројеви сами по себи нуде први поглед на то како водоник учествује у хемијским реакцијама. Х ₂ када реакцијом може остати непромењене, или ломљено у Х ⁺ или Х ^- јона у зависности од које су врсте које веже са; ако су више или мање електронегативни од њега.

Х ₂ није веома реактивни због снаге њеног ковалентне везе, ХХ; међутим, то није апсолутна препрека да он реагује и формира једињења са готово свим елементима из периодичне табеле.

Његова најпознатија реакција је она на кисеоник који ствара водену пару:

Х ₂ (г) + О ₂ (г) → 2Х ₂ О (г)

А такав је афинитет кисеоника да формира стабилни молекул воде, да чак може да реагује са њим као О ^2- анион у одређеним металним оксидима:

Х ₂ (г) + ЦуО (с) → Цу (с) + Х ₂ О (л)

Сребрни оксид такође реагује или је "смањен" истом реакцијом:

Х ₂ (г) + АгО (с) → Аг (с) + Х ₂ О (л)

Ове реакције водоника одговарају редокс типу. Односно, редукциона-оксидација. Водоник оксидира и у присуству кисеоника и у металима оксидима метала који су мање реактивни од њега; на пример, бакар, сребро, волфрам, жива и злато.

Апсорпција

Неки метали могу апсорбовати гасове водоника да би формирали металне хидриде, који се сматрају легурама. На пример, прелазни метали попут паладија апсорбују значајне количине Х2 _, слични су металним сунђерама.

Исто се дешава и са сложенијим металним легурама. На овај начин водоник се може складиштити на други начин осим својих цилиндара.

Додатак

Органски молекули такође могу да "апсорбују" водоник кроз различите молекуларне механизме и / или интеракције.

За метал, Х ₂ молекули су окружени атома метала у њиховим кристала; док се у органским молекулама ХХ веза распада да би формирала друге ковалентне везе. У формалнијем смислу: водоник се не апсорбује, већ се додаје структури.

Класичан пример је додавање Х ₂ у двоструком или троструком везом алкена или алкина, респективно:

Ц = Ц + Х ₂ → ХЦЦХ

Ц = Ц + Х ₂ → ХЦ = ЦХ

Ове реакције се такође називају хидрогенацијом.

Формирање хидрида

Водоник директно реагује са елементима да формира породицу хемијских једињења која се називају хидриди. Углавном су две врсте: физиолошка и молекуларна.

Исто тако, постоје и метални хидриди, који се састоје од металних легура које су већ споменуте када ови метали апсорбују гас водоника; и полимерне, са мрежама или ланцима веза ЕХ, где Е означава хемијски елемент.

Физиолошка отопина

У физиолошким хидридима водоник учествује у јонској вези као хидридни анион, Х ^- . Да би се то формирало, елемент нужно мора бити мање електронегативан; у супротном, не би предао своје електроне водику.

Стога се хидриди соли стварају само када водоник реагује са високо електропозитивним металима, попут алкалних и земноалкалијских метала.

На пример, водоник реагује са металним натријум-ом да би се добио натријум хидрид:

2на (с) + Х ₂ (г) → 2НаХ (с)

Или са баријем за производњу баријевог хидрида:

Ба (с) + Х ₂ (г) → БаХ ₂ (с)

Молекуларни

Молекуларни хидриди су још познатији од јонских. Називају их и хидрогенхалогениди, ХКС, када водоник реагује са халогеном:

Цл ₂ (г) + Х ₂ (г) → 2ХЦл (г)

Овде водоник учествује у ковалентној вези као Х ⁺ ; будући да разлике између електронегативности између оба атома нису велике.

Сама вода се може сматрати хидридом кисеоника (или водоник-оксидом), о чијој се реакцији формирања већ разговарало. Реакција са сумпором је врло слична дајући водоник сулфид, смрдљив гас:

С (с) + Х ₂ (г) → Х ₂ С (г)

Али, од свих молекуларних хидрида најпознатији (а можда и најтежи за синтезу) је амонијак:

Н ₂ (г) + 3 Х ₂ (г) → 2НХ ₃ (г)

Апликације

У претходном одељку већ је решена једна од главних употреба водоника: као сировина за развој синтезе, неорганске или органске. Контрола овог гаса обично нема другу сврху осим да натера да реагује на стварање једињења која нису она из којих је екстрахован.

Сировина

- То је један од реагенса за синтезу амонијака, који заузврат има бесконачне индустријске примене, почевши од производње ђубрива, чак и као материјала за нитрогенацију лекова.

- Намерава да реагује са угљен-моноксидом и на тај начин масовно произведе метанол, реагенс који је веома важан у биогоривима.

Редукционо средство

- То је редукционо средство за одређене металне оксиде, због чега се користи у металуршкој редукцији (што је већ објашњено у случају бакра и других метала).

- Смањите масти и уља да бисте произвели маргарин.

Нафтна индустрија

У нафтној индустрији водоник се користи за "хидротретирање" сирове нафте у процесима рафинирања.

На пример, он жели да фрагментира велике и тешке молекуле у мале молекуле са већом потражњом на тржишту (хидрокрекирање); ослободити метале заробљене у кавезима петропорфирина (хидродеметализација); ремове атома сумпора као Х ₂ С (хидродесулфуризатион); или смањите двоструке везе да бисте створили смеше богате парафином.

Гориво

Сам водоник је одлично гориво за ракете или свемирске летјелице, јер мале количине њега, када реагирају с кисиком, ослобађају огромне количине топлине или енергије.

У мањем обиму, ова реакција се користи за дизајн водоничних ћелија или батерија. Међутим, ове ћелије суочавају се са потешкоћама да не могу правилно складиштити тај гас; и изазов постати потпуно независан од сагоревања фосилних горива.

Са позитивне стране, водоник који се користи као гориво ослобађа само воду; уместо гасова који представљају средства загађења за атмосферу и екосистеме.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија. (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Ханиу Лиу, Ли Зху, Венвен Цуи и Ианминг Ма. (Нд). Собно-температурне структуре чврстог водоника при високим притисцима. Државна кључна лабораторија материјала Суперхард, Универзитет Јилин, 130012 Цхангцхун, Кина.
3. Пиерре-Марие Робитаилле. (2011). Течни метални водоник: Грађевни блок за течно сунце. Одељење за радиологију, Државни универзитет Охајо, 395 В. 12тх Аве, Цолумбус, Охио, 43210, УСА.
4. Тхе Боднер Гроуп. (сф) Хемија водоника. Опоравак од: цхемед.цхем.пурдуе.еду
5. Википедиа. (2019). Водоник. Опоравак од: ен.википедиа.орг
6. Водоник Европа. (2017). Примене водоника. Опоравак од: хидрогенеуропе.еу
7. Фоист Лаура. (2019). Водоник: Својства и појава. Студи. Опоравак од: студи.цом
8. Јонас Јамес. (4. јануара 2009.). Историја водоника. Опоравак од: алтенергимаг.цом