Opća i anorganska kemija

Predavanje 6. Vodik i kisik. Voda. Vodikov peroksid.

Vodik

Atom vodika je najjednostavniji objekt kemije. Strogo govoreći, njegov ion, proton, još je jednostavniji. Prvi opisao Cavendish 1766. Ime iz grčkog. “hidrogeni” – generiranje vode.

Polumjer vodikovog atoma je približno 0,5 * 10-10 m, a njegov ion (proton) je 1,2 * 10-15 m ili od 50 pm do 1,2 * 10-3 pm ili od 50 metara (dijagonala SCA). do 1 mm.

Sljedeći element 1s, litij, mijenja se samo od 155 pm do 68 pm za Li+. Takva razlika u veličinama atoma i njegovog kationa (5 redova veličine) je jedinstvena.

Zbog male veličine protona dolazi do izmjene vodikova veza, prvenstveno između atoma kisika, dušika i fluora. Jakost vodikovih veza je 10-40 kJ/mol, što je znatno manje od energije kidanja većine običnih veza (100-150 kJ/mol u organskim molekulama), ali više od prosječne kinetičke energije toplinskog gibanja na 370 C (4 kJ/mol). Kao rezultat toga, u živom organizmu, vodikove veze se reverzibilno prekidaju, osiguravajući tijek vitalnih procesa.

Vodik se tali na 14 K, vrije na 20,3 K (tlak 1 atm), gustoća tekućeg vodika je samo 71 g/l (14 puta lakši od vode).

U razrijeđenom međuzvjezdanom mediju otkriveni su pobuđeni atomi vodika s prijelazima do n 733 → 732 s valnom duljinom od 18 m, što odgovara Bohrovom polumjeru (r = n2 * 0,5 * 10-10 m) reda veličine 0,1 mm ( !).

Najzastupljeniji element u svemiru (88,6% atoma, 11,3% atoma je helij, a samo 0,1% su atomi svih ostalih elemenata).

4 H → 4 He + 26,7 MeV 1 eV = 96,48 kJ/mol

Budući da protoni imaju spin 1/2, postoje tri varijante molekula vodika:

ortovodik o-H2 s paralelnim nuklearnim spinovima, paravodik p-H2 sa antiparalelan spinovi i normalni n-H2 – smjesa 75% orto-vodika i 25% para-vodika. Pri pretvorbi o-H2 → p-H2 oslobađa se 1418 J/mol.

Svojstva orto- i paravodika

Budući da je atomska masa vodika najmanja moguća, njegovi izotopi - deuterij D (2 H) i tricij T (3 H) značajno se razlikuju od protija 1 H po fizičkim i kemijskim svojstvima. Na primjer, zamjena jednog od vodika u organskom spoju deuterijem ima zamjetan učinak na njegov vibracijski (infracrveni) spektar, što omogućuje određivanje strukture složenih molekula. Slične supstitucije ("metoda označenog atoma") također se koriste za utvrđivanje mehanizama kompleksa

kemijski i biokemijski procesi. Metoda označenog atoma posebno je osjetljiva kada se umjesto protija koristi radioaktivni tricij (β-raspad, poluživot 12,5 godina).

Svojstva protija i deuterija

					Gustoća, g/l (20 K)
Osnovna metoda proizvodnja vodika u industriji – konverzija metana
ili hidratacija ugljena na 800-11000 C (katalizator):
CH4 + H2 O = CO + 3 H2				iznad 10000 C
"Vodeni plin": C + H2 O = CO + H2
Zatim pretvorba CO: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C, kobalt oksidi

Ukupno: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2

Ostali izvori vodika.

Koksni plin: oko 55% vodika, 25% metana, do 2% teških ugljikovodika, 4-6% CO, 2% CO2, 10-12% dušika.

Vodik kao produkt izgaranja:

Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

Po 1 kg pirotehničke smjese oslobađa se do 370 litara vodika.

Vodik u obliku jednostavne tvari koristi se za proizvodnju amonijaka i hidrogenizaciju (stvrdnjavanje) biljnih masti, za redukciju iz oksida pojedinih metala (molibden, volfram), za proizvodnju hidrida (LiH, CaH2,

LiAlH4 ).

Entalpija reakcije: H. + H. = H2 je -436 kJ/mol, pa se atomski vodik koristi za proizvodnju visokotemperaturnog redukcijskog "plamena" ("Langmuirov plamenik"). Mlaz vodika u električnom luku raspršuje se na 35 000 C za 30%, a zatim se rekombinacijom atoma može postići 50 000 C.

Ukapljeni vodik koristi se kao gorivo u raketama (vidi kisik). Obećavajuće ekološki prihvatljivo gorivo za kopneni prijevoz; U tijeku su pokusi korištenja metalhidridnih vodikovih baterija. Na primjer, legura LaNi5 može apsorbirati 1,5-2 puta više vodika nego što je sadržano u istom volumenu (koliko je volumen legure) tekućeg vodika.

Kisik

Prema danas općeprihvaćenim podacima, kisik su 1774. otkrili J. Priestley i neovisno K. Scheele. Povijest otkrića kisika dobar je primjer utjecaja paradigmi na razvoj znanosti (vidi Dodatak 1).

Čini se da je kisik zapravo otkriven mnogo ranije od službenog datuma. Godine 1620. svatko se mogao provozati Temzom (u Temzi) u podmornici koju je dizajnirao Cornelius van Drebbel. Čamac se pomaknuo pod vodu zahvaljujući naporima desetak veslača. Prema tvrdnjama brojnih očevidaca, izumitelj podmornice uspješno je riješio problem disanja tako što je zrak u njoj kemijski “osvježio”. Robert Boyle je 1661. napisao: “... Osim mehaničke strukture čamca, izumitelj je imao kemijsku otopinu (liker), koju je

smatra glavnom tajnom ronjenja. A kad bi se s vremena na vrijeme uvjerio da je dio zraka pogodnog za disanje već potrošen i da otežava disanje ljudima u čamcu, mogao je, odčepivši posudu napunjenu ovom otopinom, brzo napuniti zrak s takvim sadržajem vitalnih dijelova koji bi ga dovoljno dugo činio ponovno pogodnim za disanje.”

Zdrava osoba u mirnom stanju dnevno kroz pluća upumpa oko 7200 litara zraka, nepovratno unese 720 litara kisika. U zatvorenoj prostoriji obujma 6 m3 čovjek može izdržati bez ventilacije do 12 sati, a uz fizički rad 3-4 sata. Glavni uzrok otežanog disanja nije nedostatak kisika, već nakupljanje ugljičnog dioksida od 0,3 do 2,5%.

Dugo vremena glavna metoda proizvodnje kisika bio je "barijev" ciklus (proizvodnja kisika pomoću Breenove metode):

BaSO4 -t-→ BaO + SO3;

5000 C ->

BaO + 0,5 O2 ====== BaO2<- 7000 C

Drebbelova tajna otopina mogla bi biti otopina vodikovog peroksida: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

Dobivanje kisika spaljivanjem piro smjese: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 kJ

Smjesa sadrži do 80% NaClO3, do 10% željeznog praha, 4% barijevog peroksida i staklenu vunu.

Molekula kisika je paramagnetna (praktički biradikal), stoga je njezina aktivnost velika. Organske tvari u zraku oksidiraju se kroz fazu stvaranja peroksida.

Kisik se tali na 54,8 K, a vrije na 90,2 K.

Alotropska modifikacija elementa kisika je tvar ozon O3. Biološka zaštita Zemlje od ozona iznimno je važna. Na visini od 20-25 km uspostavlja se ravnoteža:

UV<280 нм		UV 280-320nm
O2 ----> 2 O*	O* + O2 + M --> O3	O3-------	> O2 + O
	(M – N2, Ar)

Godine 1974. otkriveno je da atomski klor, koji nastaje iz freona na nadmorskoj visini većoj od 25 km, katalizira raspad ozona, kao da zamjenjuje "ozonsko" ultraljubičasto zračenje. Ovo UV zračenje može izazvati rak kože (do 600 tisuća slučajeva godišnje u SAD-u). Zabrana freona u spremnicima aerosola na snazi ​​je u Sjedinjenim Državama od 1978. godine.

Od 1990. godine popis zabranjenih tvari (u 92 zemlje) uključuje CH3 CCl3, CCl4 i klorbromirane ugljikovodike - njihova će proizvodnja biti ukinuta do 2000. godine.

Izgaranje vodika u kisiku

Reakcija je vrlo složena (shema na predavanju 3), pa je prije praktične primjene bilo potrebno dugo proučavanje.

Dana 21. srpnja 1969. prvi zemljanin, N. Armstrong, hodao je po Mjesecu. Raketni lanser Saturn 5 (koji je dizajnirao Wernher von Braun) sastoji se od tri stupnja. Prvi sadrži kerozin i kisik, drugi i treći sadrže tekući vodik i kisik. Ukupno 468 tona tekućeg O2 i H2. Izvršeno je 13 uspješnih lansiranja.

Od travnja 1981. u SAD-u leti Space Shuttle: 713 tona tekućeg O2 i H2, kao i dva akceleratora na kruto gorivo od po 590 tona (ukupna masa krutog goriva 987 tona). Prvih 40 km uspona do TTU, od 40 do 113 km motori rade na vodik i kisik.

15. svibnja 1987. prvo lansiranje Energije, 15. studenog 1988. prvi i jedini let Burana. Težina lansiranja 2400 tona, težina goriva (kerozin in

bočni odjeljci, tekući O2 i H2) 2000 tona Snaga motora 125000 MW, nosivost 105 tona.

Izgaranje nije uvijek bilo kontrolirano i uspješno.

Godine 1936. izgrađen je najveći zračni brod na vodik na svijetu, LZ-129 Hindenburg. Volumen 200 000 m3, dužina oko 250 m, brzina 135 km/h zahvaljujući 4 motora od 1100 KS, nosivost 88 tona Cepelin je napravio 37 letova preko Atlantika i prevezao više od 3 tisuće putnika.

6. svibnja 1937., dok je pristajao u SAD, cepelin je eksplodirao i izgorio. Jedan od mogućih razloga je sabotaža.

Dana 28. siječnja 1986., u 74. sekundi leta, Challenger je eksplodirao sa sedam astronauta - 25. let sustava Shuttle. Razlog je kvar na akceleratoru krutog goriva.

Demonstracija:

eksplozija detonirajućeg plina (mješavine vodika i kisika)

Gorivne ćelije

Tehnički važna varijanta ove reakcije izgaranja je da se proces podijeli na dva dijela:

elektrooksidacija vodika (anoda): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

elektroredukcija kisika (katoda): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

Sustav u kojem dolazi do takvog "izgaranja" je gorive ćelije. Učinkovitost je puno veća od termoelektrana, budući da nema

poseban stupanj stvaranja topline. Maksimalna učinkovitost = ∆ G/∆ H; za izgaranje vodika ispada da je 94%.

Učinak je poznat od 1839. godine, ali su implementirane prve praktične gorivne ćelije

krajem 20. st. u svemiru (“Gemini”, “Apollo”, “Shuttle” - SAD, “Buran” - SSSR).

Izgledi za gorive ćelije [17]

Predstavnik Ballard Power Systemsa, govoreći na znanstvenoj konferenciji u Washingtonu, naglasio je da će motor na gorive ćelije postati komercijalno isplativ kada zadovolji četiri glavna kriterija: smanjenje troškova proizvedene energije, povećanje trajnosti, smanjenje veličine instalacije i sposobnost brzog pokretanja po hladnom vremenu. Cijena jednog kilovata energije proizvedene instalacijom gorivih ćelija trebala bi pasti na 30 USD. Usporedbe radi, 2004. ista je brojka iznosila 103 dolara, a 2005. očekuje se da će dosegnuti 80 dolara. Da bi se postigla ova cijena, potrebno je proizvesti najmanje 500 tisuća motora godišnje. Europski znanstvenici oprezniji su u prognozama i smatraju da će komercijalna uporaba vodikovih gorivih ćelija u automobilskoj industriji započeti tek 2020. godine.

Kemijska svojstva vodika

U normalnim uvjetima, molekularni vodik je relativno malo aktivan, izravno se spaja samo s najaktivnijim nemetalima (s fluorom, a na svjetlu s klorom). Međutim, kada se zagrije, reagira s mnogim elementima.

Vodik reagira s jednostavnim i složenim tvarima:

- Interakcija vodika s metalima dovodi do stvaranja složenih tvari - hidrida, u čijim je kemijskim formulama atom metala uvijek na prvom mjestu:

Na visokoj temperaturi, vodik reagira izravno s nekim metalima(alkalne, zemnoalkalne i druge), tvoreći bijele kristalne tvari - metalne hidride (Li H, Na H, KH, CaH 2, itd.):

H2 + 2Li = 2LiH

Metalni hidridi se lako razgrađuju vodom u odgovarajuće lužine i vodik:

Sa H2 + 2H20 = Ca(OH)2 + 2H2

- Kada vodik međudjeluje s nemetalima nastaju hlapljivi spojevi vodika. U kemijskoj formuli hlapljivog spoja vodika, atom vodika može biti na prvom ili drugom mjestu, ovisno o njegovom položaju u PSHE (vidi ploču na slajdu):

1). S kisikom Vodik stvara vodu:

Video "Izgaranje vodika"

2H2 + O2 = 2H2O + Q

Na normalnim temperaturama reakcija se odvija izuzetno sporo, iznad 550°C - uz eksploziju (smjesa 2 volumena H 2 i 1 volumena O 2 naziva se eksplozivan plin) .

Video "Eksplozija detonirajućeg plina"

Video "Priprema i eksplozija eksplozivne smjese"

2). S halogenima Vodik tvori halogenovodike, na primjer:

H2 + Cl2 = 2HCl

U isto vrijeme, vodik eksplodira s fluorom (čak iu mraku i na - 252°C), reagira s klorom i bromom samo kada se osvijetli ili zagrije, a s jodom samo kada se zagrije.

3). S dušikom Vodik reagira u amonijak:

ZN 2 + N 2 = 2NH 3

samo na katalizatoru i pri povišenim temperaturama i tlakovima.

4). Kada se zagrijava, vodik snažno reagira sa sumporom:

H 2 + S = H 2 S (vodikov sulfid),

mnogo teže sa selenom i telurom.

5). S čistim ugljikom Vodik može reagirati bez katalizatora samo na visokim temperaturama:

2H 2 + C (amorfni) = CH 4 (metan)

- Vodik prolazi reakciju supstitucije s metalnim oksidima , u ovom slučaju voda se stvara u proizvodima i metal se reducira. Vodik - pokazuje svojstva redukcijskog sredstva:

Koristi se vodik za obnavljanje mnogih metala, budući da oduzima kisik njihovim oksidima:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O, itd.

Primjene vodika

Video "Korištenje vodika"

Trenutno se vodik proizvodi u ogromnim količinama. Vrlo velik dio koristi se u sintezi amonijaka, hidrogenaciji masti te u hidrogenaciji ugljena, ulja i ugljikovodika. Osim toga, vodik se koristi za sintezu klorovodične kiseline, metilnog alkohola, cijanovodične kiseline, u zavarivanju i kovanju metala, kao iu proizvodnji žarulja sa žarnom niti i dragog kamenja. Vodik se prodaje u cilindrima pod tlakom većim od 150 atm. Obojeni su tamnozelenom bojom i imaju crveni natpis "Hidrogen".

Vodik se koristi za pretvaranje tekućih masti u krute masti (hidrogenacija), čime se dobiva tekuće gorivo hidrogeniranjem ugljena i loživog ulja. U metalurgiji se vodik koristi kao redukcijsko sredstvo za okside ili kloride za proizvodnju metala i nemetala (germanija, silicija, galija, cirkonija, hafnija, molibdena, volframa itd.).

Praktična upotreba vodika je raznolika: obično se koristi za punjenje balona sa sondama, u kemijskoj industriji služi kao sirovina za proizvodnju mnogih vrlo važnih proizvoda (amonijak, itd.), u prehrambenoj industriji - za proizvodnju krutih masti iz biljnih ulja itd. Visoka temperatura (do 2600 °C), dobivena izgaranjem vodika u kisiku, koristi se za taljenje vatrostalnih metala, kvarca i dr. Tekući vodik jedno je od najučinkovitijih mlaznih goriva. Godišnja globalna potrošnja vodika premašuje milijun tona.

SIMULATORI

broj 2. Vodik

ZADACI ZADATAKA

Zadatak br. 1
Napišite jednadžbe reakcija međudjelovanja vodika sa sljedećim tvarima: F 2, Ca, Al 2 O 3, živin (II) oksid, volframov (VI) oksid. Imenujte reakcijske produkte, navedite vrste reakcija.

Zadatak br. 2
Provedite transformacije prema shemi:
H2O -> H2 -> H2S -> SO2

Zadatak br. 3.
Izračunajte masu vode koja se može dobiti spaljivanjem 8 g vodika?

Kisik- jedan od najčešćih elemenata na Zemlji. Čini otprilike polovicu težine Zemljine kore, vanjskog omotača planeta. Kada se spoji s vodikom, stvara vodu koja prekriva više od dvije trećine Zemljine površine.

Ne možemo vidjeti kisik, niti ga možemo okusiti ili namirisati. Međutim, on čini jednu petinu zraka i neophodan je za život. Da bismo živjeli, mi, baš kao i životinje i biljke, trebamo disati.

Kisik je neizostavan sudionik kemijskih reakcija koje se odvijaju unutar bilo koje mikroskopske stanice živog organizma, pri čemu dolazi do razgradnje hranjivih tvari i oslobađanja energije potrebne za život. Zbog toga je kisik toliko potreban svakom živom biću (s iznimkom nekoliko vrsta mikroba).

Prilikom gorenja tvari se spajaju s kisikom, oslobađajući energiju u obliku topline i svjetlosti.

Vodik

Najzastupljeniji element u svemiru je vodik. Ono čini najveći dio većine zvijezda. Na Zemlji se većina vodika (kemijski simbol H) spaja s kisikom (O) u vodu (H20). Vodik je najjednostavniji i najlakši kemijski element, budući da se svaki njegov atom sastoji samo od jednog protona i jednog elektrona.

Početkom 20. stoljeća zračni brodovi i velike letjelice punjeni su vodikom. Međutim, vodik je vrlo zapaljiv. Nakon nekoliko katastrofa izazvanih požarima, vodik se više nije koristio u zračnim brodovima. Danas se u aeronautici koristi još jedan laki plin - nezapaljivi helij.

Vodik se spaja s ugljikom u tvari koje se nazivaju ugljikovodici. To uključuje proizvode dobivene od prirodnog plina i sirove nafte, kao što su plinovi propan i butan, ili tekući benzin. Vodik se također spaja s ugljikom i kisikom u ugljikohidrate. Škrob u krumpiru i riži, šećer u repi su ugljikohidrati.

Sunce i druge zvijezde većinom su sastavljene od vodika. U središtu zvijezde monstruozne temperature i pritisci prisiljavaju atome vodika da se spoje jedan s drugim i pretvore u drugi plin - helij. Time se oslobađa ogromna količina energije u obliku topline i svjetlosti.

Industrijske metode dobivanja jednostavnih tvari ovise o obliku u kojem se odgovarajući element nalazi u prirodi, odnosno što može biti sirovina za njegovu proizvodnju. Dakle, kisik, koji je dostupan u slobodnom stanju, dobiva se fizički - izdvajanjem iz tekućeg zraka. Vodik je gotovo sav u obliku spojeva, pa se za njegovo dobivanje koriste kemijske metode. Posebno se mogu koristiti reakcije razgradnje. Jedan od načina za proizvodnju vodika je razgradnja vode električnom strujom.

Glavna industrijska metoda za proizvodnju vodika je reakcija metana, koji je dio prirodnog plina, s vodom. Provodi se na visokoj temperaturi (lako je provjeriti da pri prolasku metana čak i kroz kipuću vodu ne dolazi do reakcije):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

U laboratoriju za dobivanje jednostavnih tvari ne koriste nužno prirodne sirovine, već biraju one polazne tvari iz kojih je lakše izolirati traženu tvar. Primjerice, u laboratoriju se kisik ne dobiva iz zraka. Isto vrijedi i za proizvodnju vodika. Jedna od laboratorijskih metoda za dobivanje vodika, koja se ponekad koristi u industriji, je razgradnja vode električnom strujom.

Obično se vodik proizvodi u laboratoriju reakcijom cinka s klorovodičnom kiselinom.

U industriji

1.Elektroliza vodenih otopina soli:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Prolazak vodene pare preko vrućeg koksa na temperaturama oko 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Od prirodnog plina.

Pretvorba vodene pare: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Katalitička oksidacija s kisikom: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Krekiranje i reforming ugljikovodika tijekom rafiniranja nafte.

U laboratoriju

1.Djelovanje razrijeđenih kiselina na metale. Za izvođenje ove reakcije najčešće se koriste cink i klorovodična kiselina:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interakcija kalcija s vodom:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hidroliza hidrida:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Učinak lužina na cink ili aluminij:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Korištenje elektrolize. Tijekom elektrolize vodenih otopina lužina ili kiselina na katodi se oslobađa vodik, npr.

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• Bioreaktor za proizvodnju vodika

Fizička svojstva

Plinoviti vodik može postojati u dva oblika (modifikacije) - u obliku orto - i para-vodika.

U molekuli ortovodika (t.t. −259,10 °C, t.t. −252,56 °C) jezgri su spinovi usmjereni identično (paralelno), a u paravodiku (t.t. −259,32 °C, t.k. v. -252,89 °C) - jedan nasuprot drugom (antiparalelan).

Alotropni oblici vodika mogu se odvojiti adsorpcijom na aktivnom ugljenu pri temperaturi tekućeg dušika. Pri vrlo niskim temperaturama, ravnoteža između ortovodika i paravodika gotovo je potpuno pomaknuta prema potonjem. Na 80 K omjer oblika je približno 1:1. Zagrijavanjem se desorbirani paravodik pretvara u ortovodik sve dok ne nastane smjesa koja je u ravnoteži na sobnoj temperaturi (orto-para: 75:25). Bez katalizatora, transformacija se odvija sporo, što omogućuje proučavanje svojstava pojedinih alotropskih oblika. Molekula vodika je dvoatomna - H₂. Pod normalnim uvjetima, to je plin bez boje, mirisa i okusa. Vodik je najlakši plin, njegova gustoća je mnogo puta manja od gustoće zraka. Očito, što je manja masa molekula, to je veća njihova brzina pri istoj temperaturi. Kao najlakše molekule, molekule vodika se kreću brže od molekula bilo kojeg drugog plina i stoga mogu brže prenositi toplinu s jednog tijela na drugo. Slijedi da vodik ima najveću toplinsku vodljivost među plinovitim tvarima. Njegova toplinska vodljivost približno je sedam puta veća od toplinske vodljivosti zraka.

Kemijska svojstva

Molekule vodika H₂ su prilično jake, a da bi vodik reagirao, potrebno je utrošiti mnogo energije: H 2 = 2H - 432 kJ Stoga vodik na uobičajenim temperaturama reagira samo s vrlo aktivnim metalima, na primjer kalcijem, pri čemu nastaje kalcij. hidrid: Ca + H 2 = CaH 2 i s jedinim nemetalom - fluorom, tvoreći fluorovodik: F 2 + H 2 = 2HF S većinom metala i nemetala vodik reagira na povišenim temperaturama ili pod drugim utjecajima, npr. , rasvjeta. Može “oduzeti” kisik nekim oksidima, na primjer: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 Napisana jednadžba odražava reakciju redukcije. Reakcije redukcije su procesi u kojima se kisik uklanja iz spoja; Tvari koje oduzimaju kisik nazivaju se reducenti (sami oksidiraju). Nadalje, bit će dana još jedna definicija pojmova "oksidacija" i "redukcija". I ova definicija, povijesno prva, zadržava svoje značenje i danas, posebice u organskoj kemiji. Reakcija redukcije je suprotna reakciji oksidacije. Obje ove reakcije uvijek se odvijaju istovremeno kao jedan proces: kada se jedna tvar oksidira (reducira), redukcija (oksidacija) druge nužno se događa istovremeno.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Forme s halogenima vodikovi halogenidi:

F 2 + H 2 → 2 HF, reakcija se odvija eksplozivno u mraku i na bilo kojoj temperaturi, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reakcija se odvija eksplozivno, samo na svjetlu.

Interakcija s čađom pod visokom temperaturom:

C + 2H 2 → CH 4

Interakcija s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima

Vodik se stvara s aktivnim metalima hidridi:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

Hidridi- čvrste tvari slične soli, lako hidrolizirane:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interakcija s metalnim oksidima (obično d-elementima)

Oksidi se reduciraju u metale:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenacija organskih spojeva

Kada vodik djeluje na nezasićene ugljikovodike u prisutnosti katalizatora nikla i na povišenim temperaturama, dolazi do reakcije hidrogeniranje:

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Vodik reducira aldehide u alkohole:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Geokemija vodika

Vodik je glavni građevni materijal svemira. To je najčešći element, a svi elementi nastaju od njega kao rezultat termonuklearnih i nuklearnih reakcija.

Slobodni vodik H2 je relativno rijedak u kopnenim plinovima, ali u obliku vode ima izuzetno važnu ulogu u geokemijskim procesima.

Vodik može biti prisutan u mineralima u obliku amonijevog iona, hidroksilnog iona i kristalne vode.

U atmosferi se kontinuirano proizvodi vodik kao rezultat razgradnje vode sunčevim zračenjem. Migrira u gornju atmosferu i bježi u svemir.

Primjena

• Energija vodika

Za zavarivanje atomskim vodikom koristi se atomski vodik.

U prehrambenoj industriji hidrogen je registriran kao dodatak hrani E949, poput plina za pakiranje.

Značajke liječenja

Vodik pomiješan sa zrakom stvara eksplozivnu smjesu – takozvani detonirajući plin. Ovaj plin je najeksplozivniji kada je volumni omjer vodika i kisika 2:1, odnosno vodika i zraka približno 2:5, budući da zrak sadrži približno 21% kisika. Vodik također predstavlja opasnost od požara. Tekući vodik može uzrokovati ozbiljne ozebline ako dođe u dodir s kožom.

Eksplozivne koncentracije vodika i kisika javljaju se od 4% do 96% volumena. Kada se pomiješa sa zrakom od 4% do 75(74)% po volumenu.

Upotreba vodika

U kemijskoj industriji vodik se koristi u proizvodnji amonijaka, sapuna i plastike. U prehrambenoj industriji margarin se proizvodi od tekućih biljnih ulja pomoću vodika. Vodik je vrlo lagan i uvijek se diže u zrak. Nekada su se zračni brodovi i baloni punili vodikom. Ali u 30-ima. XX. stoljeća Nekoliko strašnih katastrofa dogodilo se kada su zračni brodovi eksplodirali i izgorjeli. Danas su zračni brodovi napunjeni plinovitim helijem. Vodik se također koristi kao raketno gorivo. Jednog dana vodik bi se mogao široko koristiti kao gorivo za automobile i kamione. Motori na vodik ne zagađuju okoliš i ispuštaju samo vodenu paru (iako sama proizvodnja vodika dovodi do određenog onečišćenja okoliša). Naše Sunce većinom se sastoji od vodika. Sunčeva toplina i svjetlost rezultat su oslobađanja nuklearne energije iz fuzije jezgri vodika.

Korištenje vodika kao goriva (isplativ)

Najvažnija karakteristika tvari koje se koriste kao gorivo je njihova toplina izgaranja. Iz tečaja opće kemije poznato je da se reakcija između vodika i kisika odvija uz oslobađanje topline. Ako uzmemo 1 mol H 2 (2 g) i 0,5 mol O 2 (16 g) pod standardnim uvjetima i pobudimo reakciju, tada prema jednadžbi

H2 + 0,5 O2 = H2O

nakon završetka reakcije nastaje 1 mol H 2 O (18 g) uz oslobađanje energije od 285,8 kJ/mol (za usporedbu: toplina izgaranja acetilena je 1300 kJ/mol, propana - 2200 kJ/mol) . 1 m³ vodika teži 89,8 g (44,9 mol). Dakle, za proizvodnju 1 m³ vodika bit će utrošeno 12832,4 kJ energije. Uzimajući u obzir da je 1 kWh = 3600 kJ, dobivamo 3,56 kWh električne energije. Poznavajući tarifu za 1 kWh električne energije i cijenu 1 m³ plina, možemo zaključiti da je preporučljivo prijeći na vodikovo gorivo.

Primjerice, eksperimentalni model Honde FCX 3. generacije sa spremnikom vodika od 156 litara (sadrži 3,12 kg vodika pod tlakom od 25 MPa) prijeđe 355 km. Prema tome, iz 3,12 kg H2 dobiva se 123,8 kWh. Na 100 km potrošnja energije iznosit će 36,97 kWh. Poznavajući cijenu električne energije, cijenu plina ili benzina i njihovu potrošnju za automobil na 100 km, lako je izračunati negativan ekonomski učinak prelaska automobila na vodikovo gorivo. Recimo (Rusija 2008.), 10 centi po kWh električne energije dovodi do činjenice da 1 m³ vodika dovodi do cijene od 35,6 centi, a uzimajući u obzir učinkovitost razgradnje vode od 40-45 centi, ista količina kWh od izgaranja benzina košta 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 centi/l=34 centa po maloprodajnim cijenama, dok smo za vodik izračunali idealnu opciju, ne uzimajući u obzir transport, amortizaciju opreme itd. Za metan s energije izgaranja od oko 39 MJ po m³ rezultat će biti dva do četiri puta manji zbog razlike u cijeni (1 m³ za Ukrajinu košta 179 USD, a za Europu 350 USD). Odnosno, ekvivalentna količina metana koštat će 10-20 centi.

No, ne treba zaboraviti da spaljivanjem vodika dobivamo čistu vodu iz koje je on ekstrahiran. Odnosno, imamo obnovljivi tvrdica energije bez štete za okoliš, za razliku od plina ili benzina koji su primarni izvori energije.

Php na liniji 377 Upozorenje: zahtijeva (http://www..php): nije uspjelo otvoriti stream: nije moguće pronaći odgovarajući omot u /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php na liniji 377 Fatalno pogreška: require(): Neuspješno otvaranje zahtijeva "http://www..php" (include_path="..php na liniji 377

Svrha lekcije. U ovoj lekciji naučit ćete o možda najvažnijim kemijskim elementima za život na zemlji - vodiku i kisiku, upoznati njihova kemijska svojstva, kao i fizikalna svojstva jednostavnih tvari koje tvore, saznati više o ulozi kisika i vodika u prirodi i životu osoba.

Vodik– najčešći element u svemiru. Kisik– najčešći element na Zemlji. Zajedno tvore vodu, tvar koja čini više od polovice mase ljudskog tijela. Kisik je plin koji nam je potreban za disanje, a bez vode ne bismo mogli živjeti ni nekoliko dana, pa kisik i vodik bez sumnje možemo smatrati najvažnijim kemijskim elementima potrebnim za život.

Struktura atoma vodika i kisika

Dakle, vodik pokazuje nemetalna svojstva. U prirodi se vodik nalazi u obliku triju izotopa, protija, deuterija i tricija, koji se međusobno jako razlikuju po fizičkim svojstvima, pa im se čak dodjeljuju i pojedinačni simboli.

Ako se ne sjećate ili ne znate što su izotopi, radite s materijalima elektroničkog obrazovnog izvora "Izotopi kao varijante atoma jednog kemijskog elementa". U njemu ćete naučiti kako se izotopi jednog elementa međusobno razlikuju, čemu dovodi prisutnost više izotopa jednog elementa, te se upoznati s izotopima više elemenata.

Dakle, moguća oksidacijska stanja kisika ograničena su na vrijednosti od –2 do +2. Ako kisik prihvati dva elektrona (postaje anion) ili formira dvije kovalentne veze s manje elektronegativnih elemenata, prelazi u oksidacijsko stanje –2. Ako kisik formira jednu vezu s drugim atomom kisika i drugu vezu s atomom manje elektronegativnog elementa, on prelazi u oksidacijsko stanje –1. Stvaranjem dviju kovalentnih veza s fluorom (jedinim elementom s većom vrijednošću elektronegativnosti) kisik prelazi u oksidacijsko stanje +2. Stvaranje jedne veze s drugim atomom kisika, a druge s atomom fluora – +1. Konačno, ako kisik formira jednu vezu s manje elektronegativnim atomom i drugu vezu s fluorom, bit će u oksidacijskom stanju 0.

Fizikalna svojstva vodika i kisika, alotropija kisika

Vodik– bezbojni plin bez okusa i mirisa. Vrlo lagan (14,5 puta lakši od zraka). Temperatura ukapljivanja vodika – -252,8 °C – gotovo je najniža među svim plinovima (na drugom mjestu iza helija). Tekući i čvrsti vodik vrlo su lagane, bezbojne tvari.

Kisik- plin bez boje, okusa i mirisa, malo teži od zraka. Na temperaturi od -182,9 °C prelazi u tešku plavu tekućinu, na -218 °C se skrućuje uz stvaranje plavih kristala. Molekule kisika su paramagnetske, što znači da kisik privlači magnet. Kisik je slabo topiv u vodi.

Za razliku od vodika koji gradi molekule samo jedne vrste, kisik pokazuje alotropiju i tvori molekule dvije vrste, odnosno element kisik tvori dvije jednostavne tvari: kisik i ozon.

Kemijska svojstva i dobivanje jednostavnih tvari

Vodik.

Veza u molekuli vodika je jednostruka, ali je jedna od najjačih jednostrukih veza u prirodi, a za njezin raskid potrebno je utrošiti puno energije, zbog toga je vodik vrlo neaktivan na sobnoj temperaturi, ali s povećanje temperature (ili u prisutnosti katalizatora) vodik lako stupa u interakciju s mnogim jednostavnim i složenim tvarima.

S kemijskog gledišta, vodik je tipičan nemetal. To jest, sposoban je za interakciju s aktivnim metalima u obliku hidrida, u kojima pokazuje oksidacijsko stanje od –1. S nekim metalima (litij, kalcij) interakcija se odvija čak i na sobnoj temperaturi, ali prilično sporo, pa se zagrijavanje koristi u sintezi hidrida:

,

.

Stvaranje hidrida izravnom interakcijom jednostavnih tvari moguće je samo za aktivne metale. Aluminij više ne stupa u interakciju s vodikom izravno; njegov se hidrid dobiva reakcijama izmjene.

Vodik također reagira s nemetalima samo pri zagrijavanju. Iznimke su halogeni klor i brom, reakcija s kojima se može inducirati svjetlom:

.

Reakcija s fluorom također ne zahtijeva zagrijavanje; odvija se eksplozivno čak i pri jakom hlađenju iu apsolutnom mraku.

Reakcija s kisikom odvija se po mehanizmu razgranatog lanca, pa se brzina reakcije naglo povećava, a u smjesi kisika i vodika u omjeru 1:2 dolazi do eksplozije (takva smjesa se naziva "eksplozivan plin" ):

.

Reakcija sa sumporom odvija se mnogo mirnije, praktički bez stvaranja topline:

.

Reakcije s dušikom i jodom su reverzibilne:

,

.

Ova okolnost čini vrlo teškim dobivanje amonijaka u industriji: proces zahtijeva korištenje povećanog tlaka za miješanje ravnoteže prema stvaranju amonijaka. Vodikov jodid se ne dobiva izravnom sintezom, budući da postoji nekoliko mnogo prikladnijih metoda za njegovu sintezu.

Vodik ne reagira izravno s nisko aktivnim nemetalima (), iako su njegovi spojevi s njima poznati.

U reakcijama sa složenim tvarima vodik u većini slučajeva djeluje kao redukcijsko sredstvo. U otopinama, vodik može reducirati nisko aktivne metale (nalaze se nakon vodika u nizu napona) iz njihovih soli:

Kada se zagrijava, vodik može reducirati mnoge metale iz njihovih oksida. Štoviše, što je metal aktivniji, to ga je teže obnoviti i za to je potrebna viša temperatura:

.

Metale aktivnije od cinka gotovo je nemoguće reducirati vodikom.

Vodik se proizvodi u laboratoriju reakcijom metala s jakim kiselinama. Najčešće se koriste cink i klorovodična kiselina:

Rjeđe se koristi elektroliza vode u prisutnosti jakih elektrolita:

U industriji se vodik dobiva kao nusprodukt pri proizvodnji natrijevog hidroksida elektrolizom otopine natrijevog klorida:

Osim toga, vodik se dobiva preradom nafte.

Proizvodnja vodika fotolizom vode jedna je od metoda koje najviše obećavaju u budućnosti, ali trenutno je industrijska primjena ove metode otežana.

Rad s materijalima elektroničkih obrazovnih izvora Laboratorijski rad “Dobijanje i svojstva vodika” i Laboratorijski rad “Redukcijska svojstva vodika”. Proučiti princip rada Kippovog aparata i Kirjuškinovog aparata. Razmislite o tome u kojim slučajevima je prikladnije koristiti Kippov aparat, au kojim je prikladnije koristiti Kirjuškinov aparat. Koja svojstva vodik pokazuje u reakcijama?

Kisik.

Veza u molekuli kisika je dvostruka i vrlo jaka. Stoga je kisik prilično neaktivan na sobnoj temperaturi. Međutim, kada se zagrije, počinje pokazivati ​​jaka oksidacijska svojstva.

Kisik reagira bez zagrijavanja s aktivnim metalima (alkalijski, zemnoalkalijski i neki lantanidi):

Kada se zagrijava, kisik reagira s većinom metala stvarajući okside:

,

,

.

Srebro i manje aktivni metali ne oksidiraju se kisikom.

Kisik također reagira s većinom nemetala stvarajući okside:

,

,

.

Međudjelovanje s dušikom događa se samo pri vrlo visokim temperaturama, oko 2000 °C.

Kisik ne reagira s klorom, bromom i jodom, iako se mnogi njihovi oksidi mogu dobiti neizravno.

Interakcija kisika s fluorom može se izvesti prolaskom električnog pražnjenja kroz mješavinu plinova:

.

Kisik(II) fluorid je nestabilan spoj, lako se raspada i vrlo je jak oksidans.

U otopinama je kisik jako, iako sporo, oksidacijsko sredstvo. U pravilu, kisik potiče prijelaz metala u viša oksidacijska stanja:

Prisutnost kisika često omogućuje da se metali koji se nalaze odmah iza vodika u nizu napona otope u kiselinama:

Kada se zagrijava, kisik može oksidirati niže metalne okside:

.

Kisik se u industriji ne dobiva kemijskim metodama, nego destilacijom iz zraka.

U laboratoriju koriste reakcije razgradnje spojeva bogatih kisikom - nitrata, klorata, permanganata kada se zagrijavaju:

Također možete dobiti kisik katalitičkom razgradnjom vodikovog peroksida:

Osim toga, gornja reakcija elektrolize vode može se koristiti za proizvodnju kisika.

Rad s materijalima elektroničkog obrazovnog resursa Laboratorijski rad "Proizvodnja kisika i njegova svojstva."

Kako se zove metoda prikupljanja kisika koja se koristi u laboratorijskom radu? Koje još metode skupljanja plinova postoje i koje su od njih prikladne za skupljanje kisika?

Zadatak 1. Pogledajte video isječak “Raspad kalijeva permanganata zagrijavanjem.”

Odgovorite na pitanja:

1. 1. Koji je od krutih produkata reakcije topljiv u vodi?
   2. Koje je boje otopina kalijevog permanganata?
   3. Koje je boje otopina kalijevog manganata?

Napiši jednadžbe reakcija koje se događaju. Uravnotežite ih metodom elektronske vage.

Razgovarajte o zadatku sa svojim učiteljem u video sobi.

Ozon.

Molekula ozona je troatomna i veze u njoj su slabije nego u molekuli kisika, što dovodi do veće kemijske aktivnosti ozona: ozon lako oksidira mnoge tvari u otopinama ili u suhom obliku bez zagrijavanja:

Ozon može lako oksidirati dušikov (IV) oksid u dušikov (V) oksid i sumporov (IV) oksid u sumporov (VI) oksid bez katalizatora:

Ozon se postupno razgrađuje i nastaje kisik:

Za proizvodnju ozona koriste se posebni uređaji - ozonizatori, u kojima se sjajno pražnjenje propušta kroz kisik.

U laboratoriju se za dobivanje malih količina ozona ponekad koriste reakcije razgradnje perokso spojeva i nekih viših oksida pri zagrijavanju:

Rad s materijalima elektroničkog obrazovnog resursa Laboratorijski rad "Proizvodnja ozona i proučavanje njegovih svojstava."

Objasnite zašto otopina indiga gubi boju. Napišite jednadžbe reakcija koje nastaju miješanjem otopina olovnog nitrata i natrijevog sulfida te propuštanjem ozoniziranog zraka kroz dobivenu suspenziju. Napišite ionske jednadžbe za reakciju ionske izmjene. Za redoks reakciju, napravite ravnotežu elektrona.

Razgovarajte o zadatku sa svojim učiteljem u video sobi.

Kemijska svojstva vode

Kako biste se bolje upoznali s fizičkim svojstvima vode i njezinim značenjem, radite s materijalima elektroničkih obrazovnih izvora "Anomalna svojstva vode" i "Voda je najvažnija tekućina na Zemlji".

Voda je od velike važnosti za sve žive organizme—u stvari, mnogi živi organizmi sastoje se od više od pola vode. Voda je jedno od najuniverzalnijih otapala (pri visokim temperaturama i tlakovima njezine sposobnosti otapala značajno se povećavaju). S kemijskog gledišta, voda je vodikov oksid, au vodenoj otopini disocira (iako u vrlo maloj mjeri) na vodikove katione i hidroksidne anione:

.

Voda reagira s mnogim metalima. Voda reagira s aktivnim tvarima (alkalijski, zemnoalkalijski i neki lantanoidi) bez zagrijavanja:

Interakcija s manje aktivnim događa se kada se zagrijava.