VODONIK: POVIJEST, STRUKTURA, SVOJSTVA I NAMJENE - KEMIJA - 2025

Vodika je kemijski element koji je predstavljen simbolom H. atom je najmanja, a sve je jedan koji počinje periodnog, bez obzira u kojem je smješten. Sastoji se od bezbojne plina koji se sastoji od H dvoatomski ₂ molekule ne izoliran, H-atoma; kao s plemenitim plinovima He, Ne, Ar, između ostalih.

Od svih elemenata, možda je najizrazitiji i najistaknutiji, ne samo zbog svojih svojstava u zemaljskim ili drastičnim uvjetima, već zbog svoje ogromne brojnosti i raznolikosti spojeva. Vodik je plin, iako inertan u nedostatku vatre, zapaljiv i opasan; a vodi, H ₂ O, je univerzalna i život otapala.

Crveni cilindri koji se koriste za skladištenje vodika. Izvor: Famartin

Sam po sebi, vodik ne pokazuje nikakve vizualne osobine vrijedne divljenja, jer je to jednostavno plin koji se čuva u cilindrima ili crvenim bocama. Međutim, njegova svojstva i sposobnost povezivanja sa svim elementima, vodik je poseban. I sve to, unatoč činjenici da ima samo jedan valentni elektron.

Da se vodik ne bi pohranio u odgovarajuće boce, mogao bi pobjeći u svemir, dok velik dio reagira na uspon. Iako ima vrlo malu koncentraciju u zraku koji udišemo, izvan Zemlje i u ostatku Svemira, to je najbrojniji element, koji se nalazi u zvijezdama i smatra se njegovom jedinicom gradnje.

Na Zemlji, s druge strane, predstavlja oko 10% njegove ukupne mase. Da bismo vizualizirali što to znači, mora se uzeti u obzir da je površina planete praktično prekrivena oceanima i da se vodik nalazi u mineralima, u sirovoj nafti i u bilo kojem organskom spoju, osim što je dio svih živih bića.

Kao i ugljik, sve biomolekule (ugljikohidrati, proteini, enzimi, DNK, itd.) Imaju atome vodika. Stoga postoji mnogo izvora koji se mogu izdvojiti ili proizvesti; Međutim, malo ih predstavlja zaista profitabilne metode proizvodnje.

Povijest

Identifikacija i ime

Iako je 1671. godine Robert Boyle prvi put svjedočio plinu koji je nastao kada su željezni filci reagirali s kiselinama, britanski znanstvenik Henry Cavendish 1766. godine identificirao ga je kao novu tvar; "zapaljivi zrak".

Cavendish je otkrio da kada se taj navodno zapaljivi zrak izgara, nastaje voda. Na temelju svog rada i rezultata, francuski kemičar Antoine Lavoisier dao je ovom plinu naziv vodik 1783. Etimološki njegovo značenje potječe od grčkih riječi 'hidro' i 'geni': tvorba vode.

Elektroliza i gorivo

Ubrzo nakon toga, 1800., američki znanstvenici William Nicholson i sir Anthony Carlisle otkrili su da se voda može razgraditi u vodik i kisik; otkrili su elektrolizu vode. Kasnije, 1838., švicarski kemičar Christian Friedrich Schoenbein uveo je ideju da iskoristi izgaranje vodika za proizvodnju električne energije.

Popularnost vodika bila je takva da ga je čak i pisac Jules Verne u svojoj knjizi Tajanstveni otok (1874.) spomenuo kao gorivo budućnosti.

Izolacija

1899. škotski kemičar James Dewar prvi je izolirao vodik kao ukapljeni plin, budući da je on bio taj koji ga je mogao dovoljno ohladiti da ga dobije u svojoj čvrstoj fazi.

Dva kanala

Od ovog trenutka povijest vodika predstavlja dva kanala. S jedne strane, njegov razvoj unutar područja goriva i baterija; s druge, razumijevanje strukture njegovog atoma i kako on predstavlja element koji je otvorio vrata kvantnoj fizici.

Struktura i elektronička konfiguracija

Dijatomska molekula vodika. Izvor: Benjah-bmm27

Atomi vodika vrlo su mali i imaju samo jedan elektron za stvaranje kovalentnih veza. Kada su dva od tih atoma pridružiti, oni se uzrokuje dvoatomsku molekulu, H ₂; ovo je molekularni vodikov plin (gornja slika). Svaka bijela sfera odgovara pojedinom H atomu, a globalna sfera molekularnim orbitalima.

Dakle, vodik se zapravo sastoji od vrlo malih H ₂ molekule koje međusobno djeluju preko Londona raspršenja snage, jer im nedostaje trenutak dipol jer su Homonuklearne. Stoga su vrlo "nemirni" i brzo se šire u prostoru jer ne postoje dovoljno jake intermolekularne sile koje bi ih usporile.

Elektronska konfiguracija vodika je jednostavno 1s ¹. Ova orbitala, 1s, rezultat je rješavanja čuvene Schrödingerove jednadžbe za atom vodika. U H2 , dvije 1-orbitale se preklapaju da bi tvorile dvije molekularne orbitale: jednu vezujuću, a drugu protu-vezujuću, prema teoriji molekularne orbitale (TOM).

Te orbitale omogućuju ili objasniti postojanje iona H ₂ ⁺ ili H ₂ ^-; Međutim, kemija vodik definira se u uobičajenim uvjetima s H ₂ ili H ⁺ ili H ^- iona.

Oksidacijski brojevi

Iz konfiguracije elektrona za vodik, 1s ¹, vrlo je lako predvidjeti njegove moguće oksidacijske brojeve; imajući u vidu, naravno, da više-energetska 2-orbitala nije dostupna za kemijske veze. Dakle, u bazalnom stanju vodik ima oksidacijski broj 0, H ⁰.

Ako izgubi jedini svoj elektron, 1s orbitala ostaje prazna i formira se vodikov kation ili ion, H ⁺ s velikom pokretljivošću u gotovo bilo kojem tekućem mediju; posebno vode. U ovom slučaju broj oksidacije je +1.

A kad se dogodi suprotno, tj. Stekne elektron, orbitala će sada imati dva elektrona i postat će 1s ². Tada oksidacijski broj postaje -1, a odgovara hidridnom anionu, H ^-. Vrijedi napomenuti da je H ^- izoelektronski prema plemenitom heliju plina, He; to jest da obje vrste imaju isti broj elektrona.

Ukratko, oksidacijske broj vodika su: +1, 0 i 1 i molekula H ₂ je da ima dva vodikova atoma H ⁰.

faze

Poželjna faza vodika, barem u zemaljskim uvjetima, je plinovita, zbog prethodno izloženih razloga. Međutim, kada se temperature smanje za -200 ° C ili ako se tlak poveća stotine tisuća puta atmosferski, vodik se može kondenzirati ili kristalizirati u tekuću ili čvrstu fazu.

U tim uvjetima, H ₂ molekule može poravnati na različite načine u definiranju strukture uzoraka. Londonski rasipanja snage sada postala vrlo usmjerenih i stoga geometrije ili simetrija usvojile H ₂ se pojavljuju para.

Na primjer, dva para H ₂, koji je jednak za pisanje (H ₂) ₂ definirati simetrični ili asimetrični kvadrat. U međuvremenu, tri H ₂, ili (H ₂) ₃ para definiraju šesterokut, vrlo sličnu onoj ugljika u grafita kristala. Zapravo je ova šesterokutna faza glavna ili najstabilnija faza za čvrsti vodik.

Ali što ako se krutina sastoji od molekula, nego od H atoma? Tada bismo se bavili metalnim vodikom. Ovi H-atomi, podsjećajući na bijele sfere, mogu definirati i tekuću fazu i metalnu krutinu.

Svojstva

Fizički izgled

Vodik je plin bez boje, mirisa i okusa. Stoga, curenje predstavlja rizik od eksplozije.

Vrelište

-253 ° C.

Talište

-259 ° C.

Plamište i stabilnost

Eksplodira gotovo na bilo kojoj temperaturi ako postoji izvor iskre ili topline u blizini plina, čak i sunčeva svjetlost može zapaliti vodik. Međutim, ako se dobro skladišti, to je slabo reaktivni plin.

Gustoća

0,082 g / L 14 puta je lakši od zraka.

Topljivost

1,62 mg / L pri 21 ºC u vodi. Općenito je nerastvorljiv u većini tekućina.

Tlak pare

1,24 · 10 ⁶ mmHg pri 25 ° C. Ova vrijednost daje ideju koliko moraju biti zatvorene boce vodika kako bi spriječile ispuštanje plina.

Temperatura samozapaljivanja

560v ° C.

Elektronegativnost

2,20 na Paulingovoj skali.

Toplina izgaranja

-285,8 kJ / mol.

Toplina isparavanja

0,90 kJ / mol.

Toplina fuzije

0,117 kJ / mol.

izotopi

„Normalna” je atom vodika protium, ¹ H, što čini oko 99.985% vodika. Druga dva izotopa tog elementa za deuterij, ² H, a tricij, ³ H. Oni se razlikuju po broju neutrona; deuterij ima jedan neutron, dok tritij ima dva.

Spin izomeri

Postoje dvije vrste molekularnog vodika, H ₂: orto i para. U prvom, dva okreta (protona) H atoma orijentirana su u istom smjeru (paralelni su); dok su u drugom dva okreta u suprotnim smjerovima (antiparalni su).

Vodik-para je stabilniji od dva izomera; Kako temperatura raste, omjer orto: para postaje 3: 1, što znači da vodikov-orto izomer prevladava nad drugim. Pri vrlo niskim temperaturama (udaljenim blizu apsolutne nule, 20K) mogu se dobiti čisti uzorci vodika-para.

Nomenklatura

Nomenklatura koja se odnosi na vodik jedna je od najjednostavnijih; iako to nije isti način za njegove anorganske ili organske spojeve. H ₂ može pozvati slijedećih naziva osim „vodik”:

-Molekularni vodik

-Dihydrogen

-Diatomska molekula vodika.

Za ion H ⁺ njihova su imena protonski ili vodikov ion; i ako je u vodenom mediju, H ₃ O ⁺, hydronium kation. Dok je H ^- ion hidridni anion.

Atom vodika

Atom vodika predstavljen Bohrovim planetarnim modelom. Izvor: Pixabay.

Atom vodika je najjednostavniji svega i obično predstavljen kao na slici iznad: jezgra s jednim protona (za ¹ H), okružen elektrona koji privlači orbitu. Na ovom su atomu izgrađene i procijenjene sve atomske orbitale za ostale elemente periodične tablice.

Vjernija zastupljenost trenutnog razumijevanja atoma bila bi ona u sferi čija je periferija definirana elektronima i vjerojatnim oblakom elektrona (njegova 1s orbitala).

Gdje pronaći i producirati

Polje zvijezda: neiscrpni izvor vodika. Izvor: Pixabay.

Vodik je, iako u manjoj mjeri u usporedbi s ugljikom, kemijski element za koji se može reći da bez sumnje ima svuda; u zraku, čineći dio vode koja ispunjava mora, oceane i naša tijela, u sirovoj nafti i mineralima, kao i u organskim spojevima koji su sastavljeni kako bi nastali život.

Jednostavno preskačite bilo koju biblioteku spojeva da biste pronašli vodikove atome.

Pitanje nije toliko koliko, koliko je to prisutno. Na primjer, molekula H ₂ toliko hlapljiva i reaktivni u sunčevog svjetla, što je vrlo niska u atmosferi; prema tome, reagira na spajanje drugih elemenata i na taj način dobiva stabilnost.

Dok je veći u kosmosu, vodik se pretežno nalazi kao neutralni atomi, H.

U stvari, vodik se u svojoj metalnoj i kondenziranoj fazi smatra građevinskom jedinicom zvijezda. Budući da ih ima neprocjenjive količine i zbog svoje robusnosti i kolosalnih dimenzija, ovaj element čine najprisutnijim u čitavom svemiru. Procjenjuje se da 75% poznate materije odgovara vodikovim atomima.

prirodni

Skupljanje atoma vodika koji se gube u svemiru zvuči nepraktično i izvlačenje iz perifernih područja Sunca ili maglina, nedostupno. Na Zemlji, gdje su njegovi uvjeti prisilili taj element postojati kao H ₂, to se može proizvesti prirodnim ili geoloških procesa.

Primjerice, vodik ima svoj prirodni ciklus u kojem ga određene bakterije, mikrobi i alge mogu stvarati fotokemijskim reakcijama. Ljepljenje prirodnih procesa i paralelno s tim uključuje upotrebu bioreaktora, gdje se bakterije hrane ugljikovodicima kako bi oslobađale vodik koji se nalazi u njima.

Živa bića su također proizvođači vodika, ali u manjoj mjeri. Da to nije slučaj, ne bi bilo moguće objasniti kako čini jednu od plinovitih komponenti nadutosti; za koje je pretjerano dokazano da su zapaljivi.

Na kraju, treba spomenuti da u anaerobnim uvjetima (bez kisika), na primjer u podzemnim slojevima, minerali mogu sporo reagirati s vodom da bi se stvorio vodik. Fayelitina reakcija to dokazuje:

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

industrijski

Iako biovodik je alternativa generirati plina na industrijskoj skali, a najviše se koriste metode praktički sastoji od „uklanjanje” vodika od spojeva koji ga sadrže, tako da njegovi atoma ujedine i tvore H ₂.

Najmanje ekološki prihvatljivi načini proizvodnje sastoje se od reakcije koksa (ili ugljena) s pregrijanom parom:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

Isto se u tu svrhu koristi prirodni plin:

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

Budući da su količine koksa ili prirodnog plina ogromne, bilo je profitabilno stvarati vodik bilo kojom od ove dvije reakcije.

Drugi način dobivanja vodika je primjena električnog pražnjenja u vodi kako bi se ona razgradila na svoje elementarne dijelove (elektroliza):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

U laboratoriju

Molekularni vodik se u malim količinama može pripremiti u bilo kojem laboratoriju. Da biste to učinili, aktivni metal mora reagirati s jakom kiselinom, u čaši ili u epruveti. Uoči mjehurića jasan je znak stvaranja vodika, prikazanog sljedećom općom jednadžbom:

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

Gdje je n valencija metala. Na primjer, magnezij reagira s H ⁺ proizvesti H ₂:

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

reakcije

Redox

Oksidacijski brojevi sami po sebi nude prvi pogled na to kako vodik sudjeluje u kemijskim reakcijama. H ₂ prilikom reakcije mogu ostati nepromijenjeni, ili podijeljen u H ⁺ ili H ^- iona ovisno o tome koji se veže s vrste; ako su više ili manje elektronegativni od njega.

H ₂ nije jako reaktivna zbog svoje čvrstoće kovalentne veze, HH; međutim, to nije apsolutna prepreka da reagira i formira spojeve s gotovo svim elementima na periodičnoj tablici.

Njegova najpoznatija reakcija je ona na kisik koji stvara vodenu paru:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

A takav je afinitet kisika da formira stabilnu molekulu vode, da čak može reagirati s njom kao O ^2- anion u određenim metalnim oksidima:

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

Srebrni oksid također reagira ili se "smanjuje" istom reakcijom:

H ₂ (g) + prije (a) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Ove reakcije vodika odgovaraju redoks tipu. Odnosno, redukcijsko-oksidacijsko. Vodik oksidira u prisutnosti kisika i metalnih oksida metala koji su manje reaktivni od njega; na primjer, bakar, srebro, volfram, živa i zlato.

apsorpcija

Neki metali mogu apsorbirati vodikov plin da bi tvorili metalne hidride, koji se smatraju legurama. Na primjer, prijelazni metali poput paladija apsorbiraju značajne količine H2 , slični metalnim spužvama.

Isto se događa i s složenijim metalnim legurama. Na taj se način vodik može skladištiti na neki drugi način osim svojih cilindara.

Dodatak

Organske molekule također mogu "apsorbirati" vodik kroz različite molekularne mehanizme i / ili interakcije.

Za metale, H ₂ molekule su okruženi atoma metala u njihovim kristala; dok se u organskim molekulama HH veza raspada kako bi tvorila druge kovalentne veze. U formalnijem smislu: vodik se ne apsorbira, već se dodaje strukturi.

Klasičan primjer je dodavanje H ₂ s dvostrukom ili trostrukom vezom alkena ili alkina, odnosno:

C = C + H ₂ → HCCH

C = C + H ₂ → HC = CH

Te se reakcije također nazivaju hidrogenacijom.

Tvorba hidrida

Vodik izravno reagira s elementima kako bi tvorio obitelj kemijskih spojeva nazvanih hidridi. Uglavnom su dvije vrste: fiziološka i molekularna.

Također, postoje metalni hidridi koji se sastoje od metalnih legura koje su već spomenute kada ti metali apsorbiraju plin vodik; i polimerne, s mrežama ili lancima veza EH, gdje E označava kemijski element.

slan

U fiziološkim hidridima vodik sudjeluje u ionskoj vezi kao hidridni anion, H ^-. Da bi se to stvorilo, element nužno mora biti manje elektronegativan; u suprotnom, ne bi predao svoje elektrone vodiku.

Stoga se hidridi soli stvaraju samo kada vodik reagira s visoko elektropozitivnim metalima, poput alkalnih i zemnoalkalnih metala.

Na primjer, vodik reagira s metalnim natrijem, čime nastaje natrijev hidrid:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

Ili s barijem za dobivanje barijevog hidrida:

Ba (s) + H ₂ (g) → BAH ₂ (s)

molekularna

Molekularni hidridi su još poznatiji od jonskih. Nazivaju ih još i halogenidi vodika, HX, kada vodik reagira s halogenom:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCI (g)

Ovdje vodik sudjeluje u kovalentnoj vezi kao H ⁺; budući da razlike između elektronegativnosti između oba atoma nisu baš velike.

Sama voda se može smatrati hidridom kisika (ili vodikovim oksidom), o čijoj je reakciji nastajanja već raspravljano. Reakcija sa sumporom vrlo je slična dajući vodikov sulfid, smrdljiv plin:

S (a) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

No, od svih molekularnih hidrida najpoznatiji (a možda i najteži za sintezu) je amonijak:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

Prijave

U prethodnom je odjeljku već razmatrana jedna od glavnih primjena vodika: kao sirovina za razvoj sinteze, neorganske ili organske. Kontroliranje ovog plina obično nema drugu svrhu osim da reagira na stvaranje drugih spojeva osim onih iz kojih je izvađen.

Sirovina

- To je jedan od reagensa za sintezu amonijaka, koji zauzvrat ima beskonačnu industrijsku primjenu, počevši od proizvodnje gnojiva, čak i kao materijala za nitrogenaciju lijekova.

- Namjera je reagirati s ugljičnim monoksidom i na taj način masovno stvarati metanol, reagens koji je vrlo važan u biogorivima.

Redukcijsko sredstvo

- To je redukcijsko sredstvo za određene metalne okside, zbog čega se koristi u metalurškoj redukciji (što je već objašnjeno u slučaju bakra i drugih metala).

- Smanjite masti i ulja da biste proizveli margarin.

Naftna industrija

U naftnoj industriji vodik se koristi za "hidrotretiranje" sirove nafte u postupcima rafiniranja.

Na primjer, nastoji fragmentirati velike i teške molekule u male molekule s većom potražnjom na tržištu (hidrokrekiranje); osloboditi metale zarobljene u kavezima petroporfirina (hidrodemetalizacija); uklanjanje sumpora kao H ₂ S (hidrodesulfurizacije); ili smanjite dvostruke veze da biste stvorili smjese bogate parafinom.

Gorivo

Sam vodik je izvrsno gorivo za rakete ili svemirske brodove, jer male količine njega, kada reagiraju s kisikom, oslobađaju ogromne količine topline ili energije.

U manjem obimu, ova se reakcija koristi za oblikovanje vodikovih ćelija ili baterija. Međutim, ove ćelije suočavaju se s poteškoćama da ne mogu pravilno skladištiti taj plin; i izazov postati potpuno neovisan od sagorijevanja fosilnih goriva.

S pozitivne strane, vodik koji se koristi kao gorivo oslobađa samo vodu; umjesto plinova koji predstavljaju sredstva zagađenja za atmosferu i ekosustave.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui i Yanming Ma. (Nd). Sobne i temperaturne strukture čvrstog vodika pri visokim pritiscima. Državni ključni laboratorij materijala Superhard, Sveučilište Jilin, Changchun 130012, Kina.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Tekući metalni vodik: građevni blok za tekuće sunce. Odjel za radiologiju, Državno sveučilište Ohio, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, SAD.
4. Bodner grupa. (SF). Kemija vodika. Oporavak od: chemed.chem.purdue.edu
5. Wikipedia. (2019). Vodik. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
6. Vodikova Europa. (2017). Primjene vodika. Oporavak od: hydrogeneurope.eu
7. Foist Laura. (2019). Vodik: Svojstva i pojava. Studija. Oporavilo od: study.com
8. Jonas James. (4. siječnja 2009.). Povijest vodika. Oporavilo od: altenergymag.com