Waterstof H is 'n chemiese element, een van die mees algemene in ons Heelal. Die massa waterstof as 'n element in die samestelling van stowwe is 75% van die totale inhoud van atome van 'n ander soort. Dit is ingesluit in die belangrikste en belangrikste verbinding op die planeet - water. 'n Kenmerkende kenmerk van waterstof is ook dat dit die eerste element in die periodieke stelsel van chemiese elemente van D. I. Mendeleev is.
Ontdekking en verkenning
Die eerste verwysings na waterstof in die geskrifte van Paracelsus dateer terug na die sestiende eeu. Maar die isolasie daarvan van die gasmengsel van lug en die studie van brandbare eienskappe is reeds in die sewentiende eeu deur die wetenskaplike Lemery gemaak. Waterstof is deeglik bestudeer deur die Engelse chemikus, fisikus en natuurkenner Henry Cavendish, wat eksperimenteel bewys het dat die massa waterstof die kleinste is in vergelyking met ander gasse. In die daaropvolgende stadiums van die ontwikkeling van die wetenskap het baie wetenskaplikes saam met hom gewerk, veral Lavoisier, wat hom genoem het "geboorte aan water."
Kenmerk volgens die posisie in die PSHE
Element wat oopmaakperiodieke tabel van D. I. Mendeleev, is waterstof. Die fisiese en chemiese eienskappe van die atoom toon 'n mate van dualiteit, aangesien die waterstof gelyktydig aan die eerste groep, die hoofsubgroep, toegewys word as dit soos 'n metaal optree en 'n enkele elektron in die proses van 'n chemiese reaksie prysgee, en aan die sewende - in die geval van volledige vulling van die valensdop, dit wil sê ontvangsnegatiewe deeltjie, wat dit as soortgelyk aan halogene kenmerk.
Kenmerke van die elektroniese struktuur van die element
Die eienskappe van die waterstofatoom, die komplekse stowwe waarvan dit deel is, en die eenvoudigste stof H2 word hoofsaaklik deur die elektronkonfigurasie van die waterstof bepaal. Die deeltjie het een elektron met Z=(-1), wat in sy wentelbaan om die kern roteer, wat een proton met eenheidsmassa en positiewe lading (+1) bevat. Sy elektroniese konfigurasie is geskryf as 1s1, wat die teenwoordigheid van een negatiewe deeltjie in die heel eerste en enigste s-orbitaal vir die waterstof beteken.
Wanneer 'n elektron losgemaak of weggegee word, en 'n atoom van hierdie element het so 'n eienskap dat dit verwant is aan metale, word 'n katioon verkry. Trouens, die waterstofioon is 'n positiewe elementêre deeltjie. Daarom word 'n waterstof sonder 'n elektron bloot 'n proton genoem.
Fisiese eienskappe
As ons die fisiese eienskappe van waterstof kortliks beskryf, dan is dit 'n kleurlose, effens oplosbare gas met 'n relatiewe atoommassa gelyk aan 2, 14,5 keer ligter as lug, met 'n temperatuurvervloeiing van -252,8 grade Celsius.
U kan maklik uit ondervinding sien dat H2 die maklikste is. Om dit te doen, is dit genoeg om drie balle met verskillende stowwe te vul - waterstof, koolstofdioksied, gewone lug - en hulle gelyktydig uit jou hand los te laat. Die een gevul met CO2 sal die grond vinniger bereik as enigiemand anders, daarna sal die opgeblaasde lugmengsel daal, en die een wat H2 bevat sal na die plafon styg.
Die klein massa en grootte van waterstofdeeltjies regverdig sy vermoë om deur verskeie stowwe te penetreer. In die voorbeeld van dieselfde bal is dit maklik om te verifieer, oor 'n paar dae sal dit homself afblaas, aangesien die gas eenvoudig deur die rubber gaan. Waterstof kan ook in die struktuur van sommige metale (palladium of platinum) ophoop en daaruit verdamp wanneer die temperatuur styg.
Die lae oplosbaarheidseienskap van waterstof word in laboratoriumpraktyke gebruik vir die isolasie daarvan deur die metode van waterverplasing. Die fisiese eienskappe van waterstof (die tabel hieronder bevat die hoofparameters) bepaal die omvang van die toepassing daarvan en metodes van produksie.
| Parameter van 'n atoom of molekule van 'n eenvoudige stof | Betekenis |
| Atoommassa (molêre massa) | 1,008 g/mol |
| Elektroniese konfigurasie | 1s1 |
| Kristalrooster | Heksagonaal |
| Termiese geleiding | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Digtheid by n. j. | 0, 08987 g/l |
| Kookpunt | -252, 76 °C |
| Spesifieke kaloriewaarde | 120, 9 106 J/kg |
| Smeltingspunt | -259, 2 °C |
| Wateroplosbaarheid | 18, 8ml/L |
Isotopiese samestelling
Soos baie ander verteenwoordigers van die periodieke stelsel van chemiese elemente, het waterstof verskeie natuurlike isotope, dit wil sê atome met dieselfde aantal protone in die kern, maar 'n ander aantal neutrone - deeltjies met geen lading en eenheid massa. Voorbeelde van atome wat hierdie eienskap het, is suurstof, koolstof, chloor, broom en ander, insluitend radioaktiewe.
Fisiese eienskappe van waterstof 1H, die mees algemene van die verteenwoordigers van hierdie groep, verskil aansienlik van dieselfde eienskappe van sy eweknieë. Veral die eienskappe van die stowwe waarin hulle ingesluit is verskil. So, daar is gewone en gedeutereerde water, wat in sy samestelling in plaas van 'n waterstofatoom met 'n enkele proton, deuterium 2H bevat - sy isotoop met twee elementêre deeltjies: positief en ongelaai. Hierdie isotoop is twee keer so swaar as gewone waterstof, wat die fundamentele verskil in die eienskappe van die verbindings wat hulle vorm verklaar. In die natuur is deuterium 3200 keer skaarser as waterstof. Die derde verteenwoordiger is tritium 3Н, in die kern het dit twee neutrone en een proton.
Metodes om te verkry en te kies
Laboratorium- en industriële metodes vir die vervaardiging van waterstof verskil baie. Ja, in klein hoeveelhedegas word hoofsaaklik geproduseer deur reaksies waarby minerale betrokke is, terwyl grootskaalse produksie in 'n groter mate van organiese sintese gebruik maak.
Die volgende chemiese interaksies word in die laboratorium gebruik:
- Die reaksie van alkali- en aardalkalimetale met water om alkali en die verlangde gas te vorm.
- Elektrolise van 'n waterige elektrolietoplossing, H2↑ word by die anode vrygestel, en suurstof word by die katode vrygestel.
- Ontbinding van alkalimetaalhidriede met water, die produkte is alkaliese en dienooreenkomstig H-gas2↑.
- Reaksie van verdunde sure met metale om soute te vorm en H2↑.
- Die werking van alkalies op silikon, aluminium en sink bevorder ook die vrystelling van waterstof parallel met die vorming van komplekse soute.
In industriële belange word gas verkry deur metodes soos:
- Termiese ontbinding van metaan in die teenwoordigheid van 'n katalisator tot sy samestellende eenvoudige stowwe (350 grade bereik die waarde van so 'n indikator soos temperatuur) - waterstof H2↑ en koolstof C.
- Stampwater deur kooks teen 1000 grade Celsius laat gaan om koolstofdioksied te vorm CO2 en H2↑ (die mees algemene metode)
- Omskakeling van gasvormige metaan op 'n nikkelkatalisator by temperature wat 800 grade bereik.
- Waterstof is 'n neweproduk van die elektrolise van waterige oplossings van kalium- of natriumchloriede.
Chemiesinteraksies: algemeenhede
Die fisiese eienskappe van waterstof verklaar grootliks sy gedrag in reaksieprosesse met een of ander verbinding. Die valensie van die waterstof is 1, aangesien dit in die eerste groep in die periodieke tabel geleë is, en die mate van oksidasie 'n ander een toon. In alle verbindings, behalwe vir hidriede, waterstof in s.o.=(1+), in molekules soos ХН, ХН2, ХН3 – (1) -).
'n Waterstofgasmolekule, wat gevorm word deur 'n veralgemeende elektronpaar te skep, bestaan uit twee atome en is energeties redelik stabiel, en daarom is dit onder normale toestande ietwat inert en tree in reaksies in wanneer normale toestande verander. Afhangende van die mate van oksidasie van waterstof in die samestelling van ander stowwe, kan dit beide as 'n oksideermiddel en 'n reduseermiddel optree.
Stowwe waarmee dit reageer en waterstof vorm
Elementale interaksies om komplekse stowwe te vorm (dikwels by verhoogde temperature):
- Alkaliese en aardalkalimetaal + waterstof=hidried.
- Halogen + H2=waterstofhalogenied.
- Swael + waterstof=waterstofsulfied.
- Suurstof + H2=water.
- Koolstof + waterstof=metaan.
- Stikstof + H2=ammoniak.
Interaksie met komplekse stowwe:
- Produseer sintesegas uit koolstofmonoksied en waterstof.
- Herwinning van metale uit hul oksiede deur H2.
- Waterstofversadiging van onversadigde alifatieskoolwaterstowwe.
Waterstofbinding
Die fisiese eienskappe van waterstof is sodanig dat dit dit moontlik maak, in kombinasie met 'n elektronegatiewe element, om 'n spesiale tipe binding met dieselfde atoom te vorm vanaf naburige molekules wat ongedeelde elektronpare het (byvoorbeeld suurstof, stikstof en fluoor). Die duidelikste voorbeeld waarop dit beter is om so 'n verskynsel te oorweeg, is water. Daar kan gesê word dat dit gestik is met waterstofbindings, wat swakker is as kovalente of ioniese, maar as gevolg van die feit dat daar baie van hulle is, het dit 'n beduidende uitwerking op die eienskappe van die stof. In wese is waterstofbinding 'n elektrostatiese interaksie wat watermolekules in dimere en polimere bind, wat aanleiding gee tot die hoë kookpunt daarvan.
Waterstof in minerale verbindings
Die samestelling van alle anorganiese sure sluit 'n proton in - 'n katioon van 'n atoom soos waterstof. 'n Stof waarvan die suurresidu 'n oksidasietoestand groter as (-1) het, word 'n polibasiese verbinding genoem. Dit bevat verskeie waterstofatome, wat dissosiasie in waterige oplossings meerstadium maak. Elke daaropvolgende proton breek al moeiliker weg van die res van die suur. Deur die kwantitatiewe inhoud van waterstowwe in die medium word die suurheid daarvan bepaal.
Waterstof bevat ook hidroksielgroepe van basisse. In hulle is waterstof aan 'n suurstofatoom gekoppel, gevolglik is die oksidasietoestand van hierdie alkaliresidu altyd gelyk aan (-1). Die inhoud van hidroksiele in die medium bepaal die basis daarvan.
Toepassing in menslike aktiwiteite
Silinders met 'n stof, sowel as houers met ander vloeibare gasse, soos suurstof, het 'n spesifieke voorkoms. Hulle is donkergroen geverf met 'n helderrooi "Waterstof"-letters. Gas word in 'n silinder gepomp onder 'n druk van ongeveer 150 atmosfeer. Die fisiese eienskappe van waterstof, veral die ligtheid van die gasvormige toestand van aggregasie, word gebruik om dit in 'n mengsel te vul met heliumballonne, ballonne, ens.
Waterstof, die fisiese en chemiese eienskappe waarvan mense baie jare gelede geleer het om te gebruik, word tans in baie nywerhede gebruik. Die meeste daarvan gaan na die produksie van ammoniak. Waterstof is ook betrokke by die produksie van metale (hafnium, germanium, gallium, silikon, molibdeen, wolfram, sirkonium, en ander) uit oksiede, wat in die reaksie optree as 'n reduseermiddel, hidrosianiese en soutsure, metielalkohol en kunsmatige vloeistof brandstof. Die voedselbedryf gebruik dit om plantaardige olies in vaste vette te verander.
Bepaal die chemiese eienskappe en gebruik van waterstof in verskeie prosesse van hidrogenering en hidrogenering van vette, kole, koolwaterstowwe, olies en brandstofolie. Met behulp daarvan word edelgesteentes, gloeilampe vervaardig, metaalprodukte word gesmee en onder die invloed van 'n suurstof-waterstofvlam gesmee.
