ВОДОРОД: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Водорода представляет собой химический элемент , который представлен символом H. атом является наименьшим из всех и является одним , который начинается периодической таблицы, независимо от того , где позиционируется. Он состоит из бесцветного газа, состоящего из двухатомных молекул H ₂ , а не изолированных атомов H; как с благородными газами He, Ne, Ar и другими.

Из всех элементов он, пожалуй, самый символичный и выдающийся не только благодаря своим свойствам в земных или суровых условиях, но и благодаря огромному изобилию и разнообразию своих соединений. Водород - это газ, хотя в отсутствие огня он инертен, легковоспламеняем и опасен; а вода, H ₂ O, - универсальный и жизненный растворитель.

Красные баллоны, используемые для хранения водорода. Источник: Фамартин

Сам по себе водород не показывает каких-либо достойных восхищения визуальных особенностей, являясь просто газом, который хранится в баллонах или красных баллонах. Однако особенность водорода в его свойствах и способности связываться со всеми элементами. И все это, несмотря на то, что у него всего один валентный электрон.

Если бы водород не хранился в соответствующих цилиндрах, он бы улетел в космос, в то время как большая часть его реагировала бы на всплытие. И хотя он имеет очень низкую концентрацию в воздухе, которым мы дышим, за пределами Земли и в остальной части Вселенной, это самый распространенный элемент, обнаруженный в звездах и считающийся единицей его конструкции.

На Земле же он составляет около 10% от его общей массы. Чтобы представить себе, что это означает, необходимо учитывать, что поверхность планеты практически покрыта океанами и что водород содержится в минералах, в сырой нефти и в любых органических соединениях, помимо того, что он является частью всех живых существ.

Как и углерод, все биомолекулы (углеводы, белки, ферменты, ДНК и т. Д.) Имеют атомы водорода. Следовательно, есть много источников для его извлечения или производства; однако немногие из них представляют собой действительно прибыльные методы производства.

история

Идентификация и имя

Хотя в 1671 году Роберт Бойль впервые увидел газ, который образовался при реакции железных опилок с кислотами, британский ученый Генри Кавендиш в 1766 году идентифицировал его как новое вещество; «горючий воздух».

Кавендиш обнаружил, что когда этот якобы воспламеняющийся воздух горит, образуется вода. Основываясь на своей работе и результатах, французский химик Антуан Лавуазье дал этому газу название водород в 1783 году. Этимологически его значение происходит от греческих слов «гидро» и «гены»: формирование воды.

Электролиз и топливо

Вскоре после этого, в 1800 году, американские ученые Уильям Николсон и сэр Энтони Карлайл обнаружили, что вода может разлагаться на водород и кислород; они обнаружили электролиз воды. Позже, в 1838 году, швейцарский химик Кристиан Фридрих Шенбейн представил идею использования сжигания водорода для выработки электричества.

Популярность водорода была такова, что даже писатель Жюль Верн назвал его топливом будущего в своей книге «Таинственный остров» (1874 г.).

Изоляция

В 1899 году шотландский химик Джеймс Дьюар первым выделил водород в виде сжиженного газа, будучи тем, кто смог достаточно охладить его, чтобы получить его в твердой фазе.

Два канала

С этого момента история водорода представляет собой два канала. С одной стороны, его развитие в области топлива и аккумуляторов; а с другой стороны, понимание структуры его атома и того, как он представляет элемент, который открыл двери в квантовую физику.

Структура и электронная конфигурация

Молекула двухатомного водорода. Источник: Benjah-bmm27

Атомы водорода очень маленькие и имеют только один электрон для образования ковалентных связей. Когда два из этих атомов соединяются, они дают начало двухатомной молекуле H ₂ ; это газообразный молекулярный водород (верхнее изображение). Каждая белая сфера соответствует отдельному атому H, а глобальная сфера - молекулярным орбиталям.

Таким образом, водород на самом деле состоит из очень маленьких молекул H ₂ , которые взаимодействуют посредством лондонских сил рассеяния, поскольку у них отсутствует дипольный момент, поскольку они гомоядерны. Следовательно, они очень «беспокойны» и быстро распространяются в космосе, так как нет достаточно сильных межмолекулярных сил, чтобы их замедлить.

Электронная конфигурация водорода равна 1s ¹ . Эта орбиталь, 1s, является результатом решения знаменитого уравнения Шредингера для атома водорода. В H ₂ две 1s-орбитали перекрываются, образуя две молекулярные орбитали: одну связывающую, а другую антисвязывающую, согласно теории молекулярных орбиталей (TOM).

Эти орбитали позволяют или объясняют существование ионов H ₂ ⁺ или H ₂ ^- ; однако химический состав водорода при нормальных условиях определяется ионами H _2, H ⁺ или H ^- .

Числа окисления

Из электронной конфигурации водорода 1s ¹ очень легко предсказать его возможные степени окисления; имея в виду, конечно, что 2s-орбиталь с более высокой энергией недоступна для химических связей. Таким образом, в базовом состоянии водород имеет степень окисления 0, H ⁰ .

Если он теряет свой единственный электрон, орбиталь 1s остается пустой, а катион или ион водорода H ⁺ образуется с большой подвижностью почти в любой жидкой среде; особенно вода. В этом случае его степень окисления +1.

И когда произойдет обратное, то есть при получении электрона, орбиталь теперь будет иметь два электрона и станет 1s ² . Тогда степень окисления становится -1 и соответствует гидрид-аниону H ^- . Стоит отметить, что H ^- изоэлектронен благородному газу гелию He; то есть оба вида имеют одинаковое количество электронов.

Таким образом, степени окисления водорода равны: +1, 0 и -1, а молекула H ₂ имеет два атома водорода H ⁰ .

Этапы

Предпочтительной фазой водорода, по крайней мере в земных условиях, является газообразная фаза по причинам, выявленным ранее. Однако, когда температура снижается примерно на -200 ° C или если давление увеличивается в сотни тысяч раз по сравнению с атмосферным, водород может конденсироваться или кристаллизоваться в жидкую или твердую фазу соответственно.

В этих условиях молекулы H ₂ могут быть выровнены по-разному для определения структурных паттернов. Лондонские силы рассеяния теперь становятся сильно направленными, и поэтому появляются геометрии или симметрии, принятые парами H ₂ .

Например, две пары H ₂ , это то, что равно записи (H ₂ ) _2, определяют симметричный или асимметричный квадрат. Между тем, три пары H ₂ или (H ₂ ) ₃ образуют шестиугольник, очень похожий на пары углерода в кристаллах графита. Фактически, эта гексагональная фаза является основной или наиболее стабильной фазой для твердого водорода.

Но что, если твердое тело состоит не из молекул, а из атомов водорода? Затем мы займемся металлическим водородом. Эти атомы H, напоминающие белые сферы, могут определять как жидкую фазу, так и металлическое твердое тело.

свойства

Внешность

Водород - это газ без цвета, запаха и вкуса. Таким образом, утечка представляет собой риск взрыва.

Точка кипения

-253 ° С.

Температура плавления

-259 ° С.

Температура вспышки и стабильность

Он взрывается практически при любой температуре, если рядом с газом есть искра или источник тепла, даже солнечный свет может воспламенить водород. Однако до тех пор, пока он хорошо хранится, это газ с низкой реакционной способностью.

плотность

0,082 г / л. Он в 14 раз легче воздуха.

Растворимость

1,62 мг / л при 21 ºC в воде. Вообще говоря, он нерастворим в большинстве жидкостей.

Давление газа

1,24 · 10 ⁶ мм рт. Ст. При 25 ° C. Это значение дает представление о том, насколько закрытыми должны быть баллоны с водородом, чтобы предотвратить утечку газа.

температура самовоспламенения

560в ° С.

Электроотрицательность

2,20 по шкале Полинга.

Теплота сгорания

-285,8 кДж / моль.

Теплота испарения

0,90 кДж / моль.

Теплота плавления

0,117 кДж / моль.

Изотопы

«Нормальный» атом водорода - это протий, ¹ H, который составляет около 99,985% водорода. Два других изотопа этого элемента - дейтерий ² H и тритий ³ H. Они различаются числом нейтронов; дейтерий имеет один нейтрон, а тритий - два.

Спиновые изомеры

Существует два типа молекулярного водорода H ₂ : орто и пара. В первом случае два спина (протона) атомов H ориентированы в одном направлении (они параллельны); а во втором два спина направлены в противоположные стороны (они антипараллельны).

Водород-пара является более стабильным из двух изомеров; Но при повышении температуры соотношение орто: пара становится 3: 1, что означает, что водород-орто-изомер преобладает над другим. При очень низких температурах (отдаленно близких к абсолютному нулю, 20 К) можно получить образцы чистого пара-водорода.

Номенклатура

Номенклатура для обозначения водорода - одна из самых простых; хотя это не то же самое для его неорганических или органических соединений. H ₂ можно называть не только водородом, но и следующими названиями:

-Молекулярный водород

дикислый

-Диатомная молекула водорода.

Для иона H ⁺ их имена - протон или ион водорода; и если он находится в водной среде, H ₃ O ⁺ , катион гидроксония. В то время как ион H ^- представляет собой гидрид-анион.

Атом водорода

Атом водорода представлен планетарной моделью Бора. Источник: Pixabay.

Атом водорода является самым простым из всех и обычно представлен так, как на изображении выше: ядро ​​с одним протоном (для ¹ H), окруженное электроном, который рисует орбиту. Все атомные орбитали для других элементов периодической таблицы были построены и оценены на этом атоме.

Более точным представлением современного понимания атомов была бы сфера, периферия которой определяется электроном и вероятностным облаком электрона (его 1-я орбиталь).

Где найти и производство

Поле звезд: неиссякаемый источник водорода. Источник: Pixabay.

Водород, хотя, возможно, в меньшей степени по сравнению с углеродом, является химическим элементом, о котором можно без сомнения сказать, что он присутствует везде; в воздухе, составляя часть воды, наполняющей моря, океаны и наши тела, в сырой нефти и минералах, а также в органических соединениях, которые собраны для создания жизни.

Просто просмотрите любую библиотеку соединений, чтобы найти в них атомы водорода.

Вопрос не столько в том, сколько, а в том, как оно присутствует. Например, молекула H ₂ настолько летучая и реактивная при падении солнечного света, что ее очень мало в атмосфере; поэтому он реагирует, чтобы присоединиться к другим элементам и, таким образом, получить стабильность.

Находясь выше в космосе, водород преимущественно находится в виде нейтральных атомов, H.

Фактически, водород в его металлической и конденсированной фазе считается строительной единицей звезд. Поскольку их существует неизмеримое количество, и, благодаря его прочности и колоссальным размерам, они делают этот элемент самым распространенным во всей Вселенной. По оценкам, 75% известного вещества приходится на атомы водорода.

натуральный

Собирать атомы водорода в космосе непрактично, а извлекать их с периферии Солнца или туманностей недостижимо. На Земле, где условия вынуждают этот элемент существовать как H ₂ , он может производиться в результате естественных или геологических процессов.

Например, водород имеет собственный естественный цикл, в котором определенные бактерии, микробы и водоросли могут генерировать его посредством фотохимических реакций. Масштабирование естественных процессов и параллельно с ними включает использование биореакторов, в которых бактерии питаются углеводородами, чтобы высвободить содержащийся в них водород.

Живые существа также являются производителями водорода, но в меньшей степени. Если бы это было не так, было бы невозможно объяснить, как он составляет один из газообразных компонентов метеоризма; которые оказались чрезмерно легковоспламеняющимися.

Наконец, стоит упомянуть, что в анаэробных условиях (без кислорода), например, в подземных слоях, минералы могут медленно реагировать с водой с образованием водорода. Об этом свидетельствует реакция Фаелиты:

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

промышленные

Хотя биоводород является альтернативой для производства этого газа в промышленных масштабах, наиболее часто используемые методы практически состоят в «удалении» водорода из соединений, которые его содержат, так что его атомы объединяются и образуют H ₂ .

Наименее экологически чистые методы производства - это взаимодействие кокса (или древесного угля) с перегретым паром:

C (т) + H ₂ O (г) → CO (г) + H ₂ (г)

Точно так же для этой цели использовался природный газ:

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

А поскольку количество кокса или природного газа огромно, выгодно производить водород с помощью любой из этих двух реакций.

Другой метод получения водорода - это применение электрического разряда к воде, чтобы разбить ее на элементарные части (электролиз):

2 H ₂ O (л) → 2 H ₂ (г) + O ₂ (г)

В лаборатории

Молекулярный водород можно получить в небольших количествах в любой лаборатории. Для этого активный металл должен вступить в реакцию с сильной кислотой либо в химическом стакане, либо в пробирке. Наблюдаемое образование пузырьков - явный признак образования водорода, представленный следующим общим уравнением:

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

Где n - валентность металла. Например, магний реагирует с H ⁺ с образованием H ₂ :

Mg (тв.) + 2H ⁺ (водн.) → Mg ²⁺ (водн.) + H ₂ (г)

Реакции

окислительно-восстановительный потенциал

Сами по себе степени окисления дают первое представление о том, как водород участвует в химических реакциях. H ₂ при реакции может оставаться неизменным или расщепляться на ионы H ⁺ или H ^{- в} зависимости от того, с какими видами он связывается; если они более или менее электроотрицательны, чем он.

H ₂ не очень реакционноспособен из-за прочности его ковалентной связи, HH; однако это не абсолютное препятствие для его реакции и образования соединений почти со всеми элементами периодической таблицы.

Наиболее известная его реакция - с газообразным кислородом с образованием водяных паров:

H ₂ (г) + O ₂ (г) → 2H ₂ O (г)

Его сродство к кислороду таково, что он образует стабильную молекулу воды, что он может даже реагировать с ним в качестве аниона O ^2- в некоторых оксидах металлов:

H ₂ (г) + CuO (тв) → Cu (тв) + H ₂ O (л)

Оксид серебра также реагирует или "восстанавливается" той же реакцией:

H ₂ (г) + AgO (т. Е.) → Ag (т. Е.) + H ₂ O (л)

Эти водородные реакции соответствуют окислительно-восстановительному типу. То есть восстановление-окисление. Водород окисляется как в присутствии кислорода, так и оксидов металлов менее реакционноспособных, чем он; например, медь, серебро, вольфрам, ртуть и золото.

абсорбция

Некоторые металлы могут поглощать газообразный водород с образованием гидридов металлов, которые считаются сплавами. Например, переходные металлы, такие как палладий, поглощают значительные количества H _2, подобно металлическим губкам.

То же самое происходит с более сложными металлическими сплавами. Таким образом, водород может храниться не в баллонах.

прибавление

Органические молекулы также могут «поглощать» водород посредством различных молекулярных механизмов и / или взаимодействий.

Для металлов молекулы H ₂ окружены атомами металлов внутри своих кристаллов; в то время как в органических молекулах связь HH разрывается с образованием других ковалентных связей. В более формализованном смысле: водород не абсорбируется, а добавляется в структуру.

Классическим примером является присоединение H ₂ к двойной или тройной связи алкенов или алкинов соответственно:

С = С + Н ₂ → ГХЦГ

С≡С + Н ₂ → НС = СН

Эти реакции также называют гидрогенизацией.

Образование гидрида

Водород напрямую реагирует с элементами с образованием семейства химических соединений, называемых гидридами. В основном они бывают двух типов: солевые и молекулярные.

Точно так же существуют гидриды металлов, которые состоят из уже упомянутых металлических сплавов, когда эти металлы поглощают газообразный водород; и полимерные, с сетками или цепочками связей EH, где E обозначает химический элемент.

солончак

В солевых гидридах водород участвует в ионной связи в качестве гидрид-аниона H ^- . Для этого элемент обязательно должен быть менее электроотрицательным; в противном случае он не отдал бы свои электроны водороду.

Следовательно, гидриды солей образуются только тогда, когда водород реагирует с сильно электроположительными металлами, такими как щелочные и щелочноземельные металлы.

Например, водород реагирует с металлическим натрием с образованием гидрида натрия:

2Na (т) + H ₂ (г) → 2NaH (т)

Или с барием для получения гидрида бария:

Ва (т) + Н ₂ (г) → ВаН ₂ (т)

молекулярная

Молекулярные гидриды известны даже лучше, чем ионные. Их также называют галогенидами водорода, HX, когда водород реагирует с галогеном:

Cl ₂ (г) + H ₂ (г) → 2HCl (г)

Здесь водород участвует в ковалентной связи как H ⁺ ; поскольку разница между электроотрицательностями между двумя атомами не очень велика.

Сама вода может рассматриваться как гидрид кислорода (или оксид водорода), реакция образования которого уже обсуждалась. Реакция с серой очень похожа на сероводород, газ с запахом:

S (т) + H ₂ (г) → H ₂ S (г)

Но из всех молекулярных гидридов самым известным (и, пожалуй, труднее всего синтезировать) является аммиак:

N ₂ (г) + 3H ₂ (г) → 2NH ₃ (г)

Приложения

В предыдущем разделе уже рассматривалось одно из основных применений водорода: в качестве сырья для развития синтеза, неорганического или органического. Контроль этого газа обычно не имеет другой цели, кроме как заставить его реагировать с образованием соединений, отличных от тех, из которых он был извлечен.

Ингредиенты

- Это один из реагентов для синтеза аммиака, который, в свою очередь, имеет бесконечное промышленное применение, начиная с производства удобрений, даже в качестве материала для азотсодержащих лекарств.

- Он предназначен для реакции с монооксидом углерода и, таким образом, для массового производства метанола, реагента, который очень важен для биотоплива.

Восстановитель

- Это восстановитель для определенных оксидов металлов, поэтому он используется в металлургическом восстановлении (уже объяснено в случае меди и других металлов).

- Уменьшите количество жиров или масел для производства маргарина.

Нефтяная промышленность

В нефтяной промышленности водород используется для «гидроочистки» сырой нефти в процессах нефтепереработки.

Например, он стремится разделить большие и тяжелые молекулы на маленькие молекулы, пользующиеся большим спросом на рынке (гидрокрекинг); высвободить металлы, попавшие в петропорфириновые клетки (гидродеметаллизация); удалить атомы серы в виде H ₂ S (гидродесульфуризация); или уменьшить двойные связи для создания смесей, богатых парафином.

топливо

Сам по себе водород является отличным топливом для ракет или космических кораблей, поскольку небольшие его количества при взаимодействии с кислородом выделяют огромное количество тепла или энергии.

В меньшем масштабе эта реакция используется для создания водородных элементов или батарей. Однако эти клетки сталкиваются с трудностями, связанными с невозможностью надлежащего хранения этого газа; и проблема обретения полной независимости от сжигания ископаемого топлива.

С другой стороны, водород, используемый в качестве топлива, выделяет только воду; вместо газов, которые представляют собой средство загрязнения атмосферы и экосистем.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Ханью Лю, Ли Чжу, Венвэнь Цуй и Янмин Ма (Северная Дакота). Структуры твердого водорода при высоких давлениях при комнатной температуре. Государственная ключевая лаборатория сверхтвердых материалов, Цзилиньский университет, Чанчунь 130012, Китай.
3. Пьер-Мари Робитай. (2011). Жидкий металлический водород: строительный блок для жидкого солнца. Отделение радиологии, Государственный университет Огайо, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, USA.
4. Группа Боднера. (SF). Химия водорода. Получено с: chemed.chem.purdue.edu
5. Wikipedia. (2019). Водород. Получено с: en.wikipedia.org
6. Водород Европа. (2017). Применение водорода. Получено с: hydrogeneurope.eu
7. Фуист Лаура. (2019). Водород: свойства и возникновение. Учиться. Получено с: study.com
8. Джонас Джеймс. (4 января 2009 г.). История водорода. Получено с: altenergymag.com