Kiseonik je najzastupljeniji element na zemlji. Zajedno sa dušikom i malom količinom drugih plinova, slobodni kisik formira Zemljinu atmosferu. Njegov sadržaj u vazduhu iznosi 20,95% zapremine ili 23,15% mase. U zemljinoj kori, 58% atoma su atomi vezanog kiseonika (47% po masi). Kiseonik je deo vode (zalihe vezanog kiseonika u hidrosferi su izuzetno velike), kamenja, mnogih minerala i soli, a nalazi se u mastima, proteinima i ugljenim hidratima koji čine žive organizme. Gotovo sav slobodni kisik na Zemlji nastaje i pohranjuje se kao rezultat procesa fotosinteze.

fizička svojstva.

Kiseonik je gas bez boje, ukusa i mirisa, nešto teži od vazduha. Slabo je rastvorljiv u vodi (31 ml kiseonika se rastvara u 1 litru vode na 20 stepeni), ali je ipak bolji od ostalih atmosferskih gasova, pa je voda obogaćena kiseonikom. Gustina kiseonika u normalnim uslovima je 1,429 g/l. Na temperaturi od -183 0 C i pritisku od 101,325 kPa, kiseonik prelazi u tečno stanje. Tečni kiseonik ima plavkastu boju, uvlači se u magnetno polje i na -218,7°C formira plave kristale.

Prirodni kiseonik ima tri izotopa O 16, O 17, O 18.

alotropija- sposobnost kemijskog elementa da postoji u obliku dvije ili više jednostavnih supstanci koje se razlikuju samo po broju atoma u molekuli ili strukturi.

Ozon O 3 - postoji u gornjim slojevima atmosfere na nadmorskoj visini od 20-25 km od površine Zemlje i formira takozvani "ozonski omotač", koji štiti Zemlju od štetnog ultraljubičastog zračenja Sunca; blijedo ljubičasti, otrovni plin u velikim količinama specifičnog, oštrog, ali ugodnog mirisa. Tačka topljenja je -192,7 0 C, tačka ključanja je -111,9 0 C. Otopimo se u vodi bolje od kiseonika.

Ozon je jak oksidant. Njegova oksidacijska aktivnost temelji se na sposobnosti molekule da se razgradi oslobađanjem atomskog kisika:

Oksidira mnoge jednostavne i složene tvari. S nekim metalima stvara ozonide, na primjer, kalijev ozonid:

K + O 3 \u003d KO 3

Ozon se dobija u posebnim uređajima - ozonizatorima. U njima se pod djelovanjem električnog pražnjenja molekularni kisik pretvara u ozon:

Slična reakcija se javlja i pod dejstvom pražnjenja groma.

Primjena ozona je zbog njegovih jakih oksidacijskih svojstava: koristi se za izbjeljivanje tkanina, dezinfekciju vode za piće, te u medicini kao dezinficijens.

Udisanje ozona u velikim količinama je štetno: iritira sluzokožu očiju i dišnih organa.

Hemijska svojstva.

U kemijskim reakcijama s atomima drugih elemenata (osim fluora), kisik pokazuje isključivo oksidirajuća svojstva.

Najvažnije hemijsko svojstvo je sposobnost stvaranja oksida sa gotovo svim elementima. Istovremeno, kisik direktno reagira s većinom tvari, posebno kada se zagrije.

Kao rezultat ovih reakcija, u pravilu nastaju oksidi, rjeđe peroksidi:

2Ca + O 2 \u003d 2CaO

2Va + O 2 = 2VaO

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2

Kiseonik nema direktnu interakciju sa halogenima, zlatom, platinom, njihovi oksidi se dobijaju indirektno. Kada se zagreju, sumpor, ugljenik, fosfor sagorevaju u kiseoniku.

Interakcija kisika s dušikom počinje tek na temperaturi od 1200 0 C ili u električnom pražnjenju:

N 2 + O 2 \u003d 2NO

Kiseonik se kombinuje sa vodonikom i formira vodu:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

Tokom ove reakcije oslobađa se značajna količina toplote.

Smjesa dvije zapremine vodonika i jednog kisika eksplodira kada se zapali; naziva se eksplozivnim gasom.

Mnogi metali u kontaktu sa atmosferskim kiseonikom podležu uništavanju - koroziji. Neki metali u normalnim uvjetima oksidiraju se samo s površine (na primjer, aluminijum, hrom). Nastali oksidni film sprečava dalju interakciju.

4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3

Složene supstance pod određenim uslovima takođe stupaju u interakciju sa kiseonikom. U tom slučaju nastaju oksidi, au nekim slučajevima oksidi i jednostavne tvari.

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O

H 2 S + O 2 \u003d 2SO 2 + 2H 2 O

4NH 3 + ZO 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O

4CH 3 NH 2 + 9O 2 = 4CO 2 + 2N 2 + 10H 2 O

U interakciji sa složenim tvarima kisik djeluje kao oksidant. Njegovo važno svojstvo zasniva se na oksidativnoj aktivnosti kiseonika – sposobnosti održavanja sagorijevanje supstance.

Kiseonik takođe formira jedinjenje sa vodonikom - vodikov peroksid H 2 O 2 - bezbojna prozirna tečnost gorkog adstringentnog ukusa, veoma rastvorljiva u vodi. Hemijski, vodikov peroksid je vrlo zanimljivo jedinjenje. Karakteristična je njegova niska stabilnost: kada stoji, polako se razlaže na vodu i kiseonik:

H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2

Svetlost, toplota, prisustvo alkalija, kontakt sa oksidacionim ili redukcionim agensima ubrzavaju proces razgradnje. Stepen oksidacije kiseonika u vodikovom peroksidu = - 1, tj. ima srednju vrijednost između oksidacijskog stanja kisika u vodi (-2) i molekularnog kisika (0), tako da vodikov peroksid pokazuje redoks dualnost. Oksidirajuća svojstva vodikovog peroksida su mnogo izraženija od redukcijskih, a javljaju se u kiselim, alkalnim i neutralnim medijima.

H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 \u003d K 2 SO 4 + I 2 + 2H 2 O

Hemijska svojstva vodonika

U normalnim uslovima, molekularni vodonik je relativno neaktivan, kombinujući se direktno samo sa najaktivnijim nemetalima (sa fluorom, a na svetlosti i sa hlorom). Međutim, kada se zagrije, reagira s mnogim elementima.

Vodik reagira s jednostavnim i složenim tvarima:

- Interakcija vodonika sa metalima dovodi do stvaranja složenih supstanci - hidrida, u čijim je hemijskim formulama atom metala uvijek na prvom mjestu:

Na visokoj temperaturi vodonik direktno reagira sa nekim metalima(alkalne, zemnoalkalne i druge), formirajući bijele kristalne supstance - metalne hidride (Li H, Na H, KH, CaH 2 itd.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Metalni hidridi se lako razlažu vodom uz formiranje odgovarajuće alkalije i vodonika:

Sa H 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

- Kada je vodonik u interakciji sa nemetalima nastaju hlapljiva jedinjenja vodonika. U hemijskoj formuli hlapljivog vodikovog jedinjenja, atom vodika može biti ili na prvom ili na drugom mestu, u zavisnosti od lokacije u PSCE (pogledajte ploču na slajdu):

1). Sa kiseonikom Vodonik stvara vodu:

Video "Sagorevanje vodonika"

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q

Na uobičajenim temperaturama, reakcija se odvija izuzetno sporo, iznad 550 ° C - uz eksploziju (mješavina 2 zapremine H 2 i 1 zapremine O 2 naziva se eksplozivni gas) .

Video "Eksplozija eksplozivnog gasa"

Video "Priprema i eksplozija eksplozivne smjese"

2). Sa halogenima Vodik stvara halogenovodonike, na primjer:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl

Vodonik eksplodira sa fluorom (čak i u mraku i na -252°C), sa hlorom i bromom reaguje samo kada se osvetli ili zagreje, a sa jodom samo kada se zagreje.

3). Sa azotom Vodik reaguje sa stvaranjem amonijaka:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

samo na katalizatoru i na povišenim temperaturama i pritiscima.

4). Kada se zagrije, vodonik snažno reagira sa sumporom:

H 2 + S \u003d H 2 S (vodonik sulfid),

mnogo teže sa selenom i telurom.

5). sa čistim ugljenikom Vodik može reagirati bez katalizatora samo na visokim temperaturama:

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

- Vodik ulazi u reakciju supstitucije sa metalnim oksidima , dok se u proizvodima formira voda i metal se redukuje. Vodik - pokazuje svojstva redukcijskog agensa:

Koristi se vodonik za oporavak mnogih metala, budući da oduzima kisik njihovim oksidima:

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O, itd.

Primena vodonika

Video "Upotreba vodonika"

Trenutno se vodonik proizvodi u ogromnim količinama. Veliki dio se koristi u sintezi amonijaka, hidrogenaciji masti i hidrogenizaciji uglja, ulja i ugljovodonika. Osim toga, vodik se koristi za sintezu hlorovodonične kiseline, metil alkohola, cijanovodonične kiseline, u zavarivanju i kovanju metala, kao i u proizvodnji lampi sa žarnom niti i dragog kamenja. Vodonik se prodaje u bocama pod pritiskom preko 150 atm. Oslikani su tamno zelenom bojom i opremljeni su crvenim natpisom "Hydrogen".

Vodik se koristi za pretvaranje tečnih masti u čvrste masti (hidrogenacija), za proizvodnju tečnih goriva hidrogenizacijom uglja i loživog ulja. U metalurgiji se vodik koristi kao redukciono sredstvo za okside ili hloride za proizvodnju metala i nemetala (germanijum, silicijum, galijum, cirkonijum, hafnij, molibden, volfram, itd.).

Praktična primjena vodika je raznolika: obično se puni balonima, u kemijskoj industriji služi kao sirovina za proizvodnju mnogih vrlo važnih proizvoda (amonijak i dr.), u prehrambenoj industriji - za proizvodnju čvrstih proizvoda. masti iz biljnih ulja i dr. Visoka temperatura (do 2600 °C), koja se dobija sagorevanjem vodonika u kiseoniku, koristi se za topljenje vatrostalnih metala, kvarca i dr. Tečni vodonik je jedno od najefikasnijih goriva za mlazne motore. Godišnja svjetska potrošnja vodonika prelazi 1 milion tona.

SIMULATORI

br. 2. Vodonik

ZADACI ZA POJAČANJE

Zadatak broj 1
Sastaviti jednačine za reakcije interakcije vodonika sa sljedećim supstancama: F 2 , Ca, Al 2 O 3 , živin oksid (II), volfram oksid (VI). Navedite produkte reakcije, navedite vrste reakcija.

Zadatak broj 2
Izvršite transformacije prema shemi:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Zadatak broj 3.
Izračunajte masu vode koja se može dobiti sagorijevanjem 8 g vodonika?

Svrha lekcije. U ovoj lekciji ćete naučiti o možda najvažnijim hemijskim elementima za život na Zemlji - vodiku i kiseoniku, naučiti o njihovim hemijskim svojstvima, kao i o fizičkim svojstvima jednostavnih supstanci koje formiraju, saznati više o ulozi kiseonika i vodonik u prirodi i životu čovjeka.

Vodonik je najzastupljeniji element u svemiru. Kiseonik je najzastupljeniji element na zemlji. Zajedno tvore vodu, supstancu koja čini više od polovine mase ljudskog tijela. Kiseonik je gas koji nam je potreban da udišemo, a bez vode ne bismo mogli živjeti ni nekoliko dana, pa se bez sumnje kiseonik i vodonik mogu smatrati najvažnijim hemijskim elementima neophodnim za život.

Struktura atoma vodika i kiseonika

Dakle, vodonik pokazuje nemetalna svojstva. U prirodi se vodonik javlja u obliku tri izotopa, protijuma, deuterijuma i tricijuma, izotopi vodonika se međusobno jako razlikuju po fizičkim svojstvima, pa im se čak dodeljuju pojedinačni simboli.

Ako se ne sjećate ili ne znate što su izotopi, radite s materijalima elektronskog obrazovnog resursa "Izotopi kao varijante atoma jednog kemijskog elementa". U njemu ćete naučiti kako se izotopi jednog elementa razlikuju jedni od drugih, do čega dovodi prisustvo nekoliko izotopa u jednom elementu, a također ćete se upoznati s izotopima nekoliko elemenata.

Dakle, moguća oksidaciona stanja kiseonika su ograničena na vrednosti od –2 do +2. Ako kisik prihvati dva elektrona (postaje anion) ili formira dvije kovalentne veze s manje elektronegativnih elemenata, prelazi u -2 oksidacijsko stanje. Ako kisik formira jednu vezu s drugim atomom kisika, a drugu s atomom manje elektronegativnog elementa, prelazi u -1 oksidacijsko stanje. Formiranjem dvije kovalentne veze sa fluorom (jedinim elementom s višom vrijednošću elektronegativnosti), kisik prelazi u +2 oksidacijsko stanje. Formiranje jedne veze sa drugim atomom kiseonika, a druge sa atomom fluora - +1. Konačno, ako kisik formira jednu vezu s manje elektronegativnim atomom i drugu vezu s fluorom, bit će u oksidacijskom stanju 0.

Fizička svojstva vodonika i kiseonika, alotropija kiseonika

Vodonik- bezbojni gas bez ukusa i mirisa. Veoma lagan (14,5 puta lakši od vazduha). Temperatura ukapljivanja vodonika - -252,8 °C - gotovo je najniža među svim plinovima (druga nakon helijuma). Tečni i čvrsti vodonik su vrlo lagane, bezbojne tvari.

Kiseonik To je gas bez boje, mirisa i ukusa, nešto teži od vazduha. Na -182,9 °C pretvara se u tešku plavu tečnost, na -218 °C se stvrdnjava formiranjem plavih kristala. Molekuli kiseonika su paramagnetni, što znači da kiseonik privlači magnet. Kiseonik je slabo rastvorljiv u vodi.

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

Hemijska svojstva i dobijanje jednostavnih supstanci

Vodonik.

Veza u molekuli vodika je jednostruka, ali je jedna od najjačih jednostrukih veza u prirodi i potrebno je mnogo energije da se ona raskine, zbog čega je vodik vrlo neaktivan na sobnoj temperaturi, međutim, kada temperatura raste ( ili u prisustvu katalizatora), vodonik lako stupa u interakciju sa mnogim jednostavnim i složenim supstancama.

Vodonik je tipičan nemetal sa hemijske tačke gledišta. To jest, on je u stanju da stupi u interakciju sa aktivnim metalima da formira hidride, u kojima pokazuje oksidaciono stanje od -1. S nekim metalima (litij, kalcij) interakcija se odvija čak i na sobnoj temperaturi, ali prilično sporo, stoga se zagrijavanje koristi u sintezi hidrida:

,

.

Formiranje hidrida direktnom interakcijom jednostavnih supstanci moguće je samo za aktivne metale. Aluminij već ne stupa u direktnu interakciju s vodonikom, njegov hidrid se dobiva reakcijama izmjene.

Vodonik takođe reaguje sa nemetalima samo kada se zagreje. Izuzetak su halogeni klor i brom, čija reakcija može biti izazvana svjetlom:

.

Reakcija s fluorom također ne zahtijeva zagrijavanje, ona se odvija eksplozijom čak i pri jakom hlađenju iu apsolutnom mraku.

Reakcija s kisikom se odvija po mehanizmu razgranatog lanca, pa se brzina reakcije brzo povećava, a u mješavini kisika i vodika u omjeru 1:2 reakcija se odvija eksplozijom (takva smjesa se naziva "eksplozivni plin"). "):

.

Reakcija sa sumporom teče mnogo tiše, sa malo ili bez oslobađanja toplote:

.

Reakcije sa dušikom i jodom se odvijaju reverzibilno:

,

.

Ova okolnost uvelike otežava proizvodnju amonijaka u industriji: proces zahtijeva korištenje povišenog tlaka za miješanje ravnoteže u smjeru stvaranja amonijaka. Vodonik jod se ne dobija direktnom sintezom, jer postoji nekoliko mnogo pogodnijih metoda za njegovu sintezu.

Vodik ne reagira direktno sa niskoaktivnim nemetalima (), iako su poznata njegova jedinjenja s njima.

U reakcijama sa složenim tvarima, vodik u većini slučajeva djeluje kao redukcijski agens. U otopinama, vodik može reducirati niskoaktivne metale (koji se nalaze iza vodika u nizu napona) iz njihovih soli:

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

.

Metale aktivnije od cinka je praktički nemoguće reducirati vodonikom.

Vodik se proizvodi u laboratoriji reakcijom metala s jakim kiselinama. Najčešće korišteni cink i hlorovodonična kiselina:

Manje često korištena elektroliza vode u prisustvu jakih elektrolita:

U industriji se vodik proizvodi kao nusproizvod u proizvodnji kaustične sode elektrolizom otopine natrijevog klorida:

Pored toga, vodonik se dobija tokom prerade nafte.

Proizvodnja vodonika fotolizom vode jedna je od najperspektivnijih metoda u budućnosti, međutim, trenutno je industrijska primjena ove metode otežana.

Rad sa materijalima elektronskih obrazovnih izvora Laboratorijski rad "Dobijanje i svojstva vodonika" i Laboratorijski rad "Smanjenje svojstava vodonika". Naučite princip rada aparata Kipp i Kiryushkin aparata. Razmislite o tome u kojim slučajevima je prikladnije koristiti Kipp aparat, a u kojim - Kiryushkin. Koja svojstva vodik pokazuje u reakcijama?

Kiseonik.

Veza u molekulu kiseonika je dvostruka i veoma jaka. Stoga je kisik prilično neaktivan na sobnoj temperaturi. Međutim, kada se zagrije, počinje pokazivati ​​jaka oksidirajuća svojstva.

Kisik reagira bez zagrijavanja s aktivnim metalima (alkalijama, zemnoalkalnim i nekim lantanidima):

Kada se zagrije, kisik reagira s većinom metala i formira okside:

,

,

.

Srebro i manje aktivni metali ne oksidiraju se kisikom.

Kisik također reagira s većinom nemetala i formira okside:

,

,

.

Do interakcije sa dušikom dolazi samo na vrlo visokim temperaturama, oko 2000 °C.

Kiseonik ne reaguje sa hlorom, bromom i jodom, iako se mnogi njihovi oksidi mogu dobiti indirektno.

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

.

Kiseonik(II) fluorid je nestabilno jedinjenje, lako se razgrađuje i veoma je jako oksidaciono sredstvo.

U rastvorima, kiseonik je jako, iako sporo, oksidaciono sredstvo. Po pravilu, kisik potiče prijelaz metala u viša oksidaciona stanja:

Prisutnost kisika često omogućava otapanje u kiselinama metala koji se nalaze odmah nakon vodonika u naponskom nizu:

Kada se zagrije, kisik može oksidirati niže okside metala:

.

Kiseonik se u industriji ne dobija hemijskim putem, on se dobija iz vazduha destilacijom.

Laboratorija koristi reakcije razgradnje spojeva bogatih kisikom - nitrata, klorata, permanganata kada se zagrijavaju:

Kiseonik možete dobiti i katalitičkom razgradnjom vodikovog peroksida:

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

Rad sa materijalima elektronskog obrazovnog izvora Laboratorijski rad "Proizvodnja kiseonika i njegova svojstva."

Kako se zove metoda prikupljanja kiseonika koja se koristi u laboratorijskom radu? Koji drugi načini prikupljanja gasova postoje i koji su pogodni za sakupljanje kiseonika?

Zadatak 1. Pogledajte video klip "Raspadanje kalijum permanganata pri zagrijavanju."

Odgovori na pitanja:

1. 1. Koji je od čvrstih proizvoda reakcije rastvorljiv u vodi?
   2. Koje je boje rastvor kalijum permanganata?
   3. Koje je boje rastvor kalijum manganata?

Napišite jednadžbe za tekuće reakcije. Izjednačite ih metodom elektronske ravnoteže.

Razgovarajte o zadatku sa nastavnikom u ili u video sobi.

Ozon.

Molekula ozona je troatomska i veze u njoj su manje jake 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 oksid (IV) u dušikov oksid (V) i sumporov oksid (IV) u sumporov oksid (VI) bez katalizatora:

Ozon se postupno razgrađuje u kisik:

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

U laboratoriji, da bi se dobile male količine ozona, ponekad se koriste reakcije razgradnje perokso spojeva i nekih viših oksida kada se zagrijavaju:

Rad sa materijalima elektronskog obrazovnog izvora Laboratorijski rad „Dobijanje ozona i proučavanje njegovih svojstava“.

Objasnite zašto otopina indiga postaje bezbojna. Napišite jednadžbe za reakcije koje nastaju kada se pomiješaju otopine olovnog nitrata i natrijevog sulfida i kada se ozonizirani zrak propušta kroz nastalu suspenziju. Napišite ionske jednačine za reakciju ionske izmjene. Za redoks reakciju napravite elektronsku vagu.

Razgovarajte o zadatku sa nastavnikom u ili u video sobi.

Hemijska svojstva vode

Za bolje razumijevanje fizičkih svojstava vode i njenog značaja, rad sa materijalima elektronskih obrazovnih resursa „Anomalna svojstva vode“ i „Voda je najvažnija tečnost na Zemlji“.

Voda je od velike važnosti za sve žive organizme – u stvari, mnogi živi organizmi se sastoje od više od polovine vode. Voda je jedno od najsvestranijih rastvarača (pri visokim temperaturama i pritiscima njene sposobnosti kao rastvarača značajno se povećavaju). Sa hemijske tačke gledišta, voda je vodonik oksid, dok se u vodenom rastvoru disocira (iako u vrlo maloj meri) na vodikove katjone i hidroksid anione:

.

Voda je u interakciji sa mnogim metalima. S aktivnom (alkalna, zemnoalkalna i neki lantanidi) voda reagira bez zagrijavanja:

Sa manje aktivnom interakcijom nastaje kada se zagrije.

Opća i neorganska hemija

Predavanje 6. Vodonik i kiseonik. Voda. Vodikov peroksid.

Vodonik

Atom vodika je najjednostavniji predmet hemije. Strogo govoreći, njegov ion - proton - je još jednostavniji. Prvi put opisao Cavendish 1766. Ime iz grčkog. "hidrogeni" - generisanje vode.

Radijus atoma vodika 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 (SCA dijagonala) do 1 mm.

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

Zbog male veličine protona, razmjena vodoničnu vezu, prvenstveno između atoma kisika, dušika i fluora. Jačina vodoničnih veza je 10-40 kJ/mol, što je mnogo manje od energije pucanja većine običnih veza (100-150 kJ/mol u organskim molekulima), ali više od prosječne kinetičke energije toplotnog kretanja na 370 C. (4 kJ/mol). Kao rezultat toga, u živom organizmu vodonične veze se reverzibilno prekidaju, osiguravajući tijek vitalnih procesa.

Vodonik se topi na 14 K, ključa na 20,3 K (pritisak 1 atm), gustina tečnog vodonika je samo 71 g/l (14 puta lakši od vode).

U razrijeđenom međuzvjezdanom mediju pronađeni su pobuđeni atomi vodika s prijelazima do n 733 → 732 sa talasnom dužinom od 18 m, što odgovara Borovom radijusu (r = n2 * 0,5 * 10-10 m) reda veličine 0,1 mm. (!).

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

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

Pošto protoni imaju spin 1/2, postoje tri tipa molekula vodonika:

ortovodonik o-H2 sa paralelnim nuklearnim spinovima, paravodonik n-H2 sa antiparalelno spinovi i normalni n-H2 - mješavina 75% orto-vodonika i 25% para-vodonika. Tokom transformacije o-H2 → p-H2, oslobađa se 1418 J/mol.

Svojstva orto- i paravodonika

Budući da je atomska masa vodonika najmanja moguća, njegovi izotopi - deuterijum D (2 H) i tricijum T (3 H) značajno se razlikuju od protijuma 1 H po fizičkim i hemijskim svojstvima. Na primjer, zamjena jednog od vodonika u organskom spoju deuterijumom značajno utječe na njegov vibracijski (infracrveni) spektar, što omogućava uspostavljanje strukture složenih molekula. Slične supstitucije („metoda označenih atoma“) se također koriste za uspostavljanje mehanizama kompleksa

hemijskih i biohemijskih procesa. Metoda obilježenih atoma je posebno osjetljiva kada se umjesto protijuma koristi radioaktivni tricij (β-raspad, vrijeme poluraspada 12,5 godina).

Svojstva protijuma i deuterijuma

					Gustina, g/l (20 K)
Glavni metod proizvodnja vodonika u industriji – konverzija metana
ili hidratacija uglja na 800-11000 C (katalizator):
CH4 + H2 O = CO + 3 H2				iznad 10000 S
"Vodeni gas": C + H2 O = CO + H2
Zatim CO konverzija: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C, oksidi kobalta

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

Drugi izvori vodonika.

Koksni gas: oko 55% vodonika, 25% metana, do 2% teških ugljovodonika, 4-6% CO, 2% CO2, 10-12% azota.

Vodik kao produkt sagorevanja:

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

Na 1 kg pirotehničke smjese oslobađa se do 370 litara vodonika.

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

LiAlH4).

Entalpija reakcije: H. + H. = H2 je -436 kJ/mol, tako da se atomski vodonik koristi za proizvodnju visokotemperaturnog reducirajućeg „plamena“ („Langmuir gorionik“). Mlaz vodonika u električnom luku atomizira se na 35.000 C za 30%, a zatim je rekombinacijom atoma moguće dostići 50.000 C.

Tečni vodonik se koristi kao gorivo u raketama (vidi kiseonik). Obećavajuće ekološki prihvatljivo gorivo za kopneni transport; u toku su eksperimenti o upotrebi vodonik metal hidridnih baterija. Na primjer, legura LaNi5 može apsorbirati 1,5-2 puta više vodonika nego što je sadržano u istoj zapremini (kao i zapremina legure) tekućeg vodonika.

Kiseonik

Prema danas opšteprihvaćenim podacima, kiseonik su 1774. godine otkrili J. Priestley i nezavisno K. Scheele. Istorija otkrića kiseonika je dobar primer uticaja paradigmi na razvoj nauke (vidi Dodatak 1).

Očigledno, zapravo, kisik je otkriven mnogo ranije od službenog datuma. Godine 1620. svako je mogao da se vozi duž Temze (u Temzi) u podmornici koju je dizajnirao Cornelius van Drebbel. Čamac se kretao pod vodom zahvaljujući naporima desetak veslača. Prema brojnim očevicima, izumitelj podmornice je uspješno riješio problem disanja tako što je "osvježio" vazduh u njoj hemijskim putem. Robert Boyle je 1661. godine napisao: „...Pored mehaničke konstrukcije čamca, pronalazač je imao i hemijski rastvor (likvor), koji je

smatra glavnom tajnom ronjenja. A kada bi se s vremena na vrijeme uvjerio da je dio zraka za disanje već potrošen i da ljudima u čamcu otežava disanje, mogao je, otvaranjem posude napunjene ovim rastvorom, brzo napuniti vazduh sa takav sadržaj vitalnih delova koji bi ga ponovo učinio pogodnim za disanje dovoljno dugo.

Zdrava osoba u mirnom stanju dnevno ispumpa oko 7200 litara vazduha kroz pluća, uzimajući 720 litara kiseonika nepovratno. U zatvorenoj prostoriji zapremine 6 m3, osoba može preživjeti bez ventilacije do 12 sati, a tokom fizičkog rada 3-4 sata. Glavni uzrok otežanog disanja nije nedostatak kiseonika, već akumulacija ugljičnog dioksida od 0,3 do 2,5%.

Dugo vremena glavna metoda dobivanja kisika bio je ciklus "barijum" (dobivanje kisika Brin metodom):

BaSO4 -t-→ BaO + SO3;

5000C ->

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

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

Dobivanje kiseonika tokom sagorevanja piromešavine: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 kJ

U mješavini do 80% NaClO3, do 10% željeznog praha, 4% barijum peroksida i staklene vune.

Molekul kiseonika je paramagnetičan (praktički biradikal), pa je njegova aktivnost visoka. Organske tvari se oksidiraju u zraku kroz fazu stvaranja peroksida.

Kiseonik se topi na 54,8 K i ključa na 90,2 K.

Alotropska modifikacija elementa kiseonika je supstanca ozon O3. Biološka zaštita Zemlje od ozona je izuzetno 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 hlor, koji nastaje iz freona na nadmorskoj visini većoj od 25 km, katalizira raspad ozona, kao da zamjenjuje ultraljubičasti "ozon". Ovaj UV je sposoban da izazove rak kože (do 600.000 slučajeva godišnje u SAD). Zabrana freona u aerosol bocama na snazi ​​je u Sjedinjenim Državama od 1978. godine.

Od 1990. na listi zabranjenih supstanci (u 92 zemlje) nalaze se CH3 CCl3, CCl4, hlorobomugljovodonici - njihova proizvodnja je smanjena do 2000. godine.

Sagorevanje vodonika u kiseoniku

Reakcija je vrlo složena (šema u predavanju 3), pa je bilo potrebno dugo proučavanje prije početka praktične primjene.

21. jula 1969. prvi zemljanin - N. Armstrong hodao je po Mjesecu. Lansirna raketa Saturn-5 (dizajn Wernher von Braun) sastoji se od tri stepena. U prvom, kerozin i kiseonik, u drugom i trećem - tečni vodonik i kiseonik. Ukupno 468 tona tečnog O2 i H2. Izvršeno je 13 uspješnih lansiranja.

Od aprila 1981. godine u SAD-u radi Space Shuttle: 713 tona tečnog O2 i H2, kao i dva bustera na čvrsto gorivo od po 590 tona (ukupna masa čvrstog goriva je 987 tona). Prvih 40 km uspona do TTU, od 40 do 113 km motori rade na vodik i kisik.

15. maja 1987. prvo lansiranje Energije, 15. novembra 1988. prvi i jedini let Burana. Lansirna težina je 2400 tona, masa goriva (kerozin u

bočni odeljci, tečni O2 i H2) 2000 tona Snaga motora 125000 MW, nosivost 105 tona.

Sagorijevanje nije uvijek bilo kontrolirano i uspješno.

Godine 1936. izgrađen je najveći vodonični dirižabl na svijetu LZ-129 "Hindenburg". Zapremina je 200.000 m3, dužina oko 250 m, prečnik 41,2 m. Brzina je 135 km/h zahvaljujući 4 motora od po 1100 KS, nosivost 88 tona. Dirižabl je izvršio 37 letova preko Atlantika i prevezli više od 3 hiljade putnika.

6. maja 1937. godine, dok je bio na vezi u SAD, dirižabl je eksplodirao i izgorio. Jedan od mogućih razloga je sabotaža.

28. januara 1986. godine, u 74. sekundi leta, Challenger je eksplodirao sa sedam kosmonauta - 25. let šatl sistema. Razlog je kvar na pojačivaču čvrstog goriva.

Demonstracija:

eksplozivna eksplozija plina (mješavina vodika i kisika)

gorivne ćelije

Tehnički važna varijanta ove reakcije sagorijevanja je podjela procesa na dva:

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

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

Sistem u kojem se vrši takvo „spaljivanje“ je gorivne ćelije. Efikasnost je mnogo veća nego kod termoelektrana, jer nema

posebna faza proizvodnje toplote. Maksimalna efikasnost = ∆G/∆H; za sagorevanje vodonika dobija se 94%.

Efekat je poznat još od 1839. godine, ali su implementirane prve praktično funkcionalne gorivne ćelije

krajem 20. veka u svemiru (“Blizanci”, “Apolo”, “Šatl” - SAD, "Buran" - SSSR).

Perspektive gorivnih ćelija [17]

Predstavnik Ballard Power Systems, govoreći na naučnoj konferenciji u Washingtonu, naglasio je da će motor na gorive ćelije postati komercijalno isplativ kada ispuni četiri glavna kriterija: niža cijena proizvedene energije, povećana izdržljivost, smanjena veličina instalacije i mogućnost brzog pokretanja po hladnom vremenu.. Trošak jednog kilovata energije koju proizvodi postrojenje na gorivne ćelije trebalo bi smanjiti na 30 dolara. Poređenja radi, 2004. je ista cifra iznosila 103 dolara, au 2005. se očekuje da će iznositi 80 dolara. Za postizanje ove cijene potrebno je proizvoditi najmanje 500 hiljada motora godišnje. Evropski naučnici su oprezniji u prognozama i vjeruju da će komercijalna upotreba vodoničnih gorivnih ćelija u automobilskoj industriji početi najkasnije 2020. godine.

• Oznaka - H (vodonik);
• Latinski naziv - Hydrogenium;
• Razdoblje - I;
• Grupa - 1 (Ia);
• Atomska masa - 1,00794;
• Atomski broj - 1;
• Radijus atoma = 53 pm;
• Kovalentni radijus = 32 pm;
• Raspodjela elektrona - 1s 1;
• tačka topljenja = -259,14°C;
• tačka ključanja = -252,87°C;
• Elektronegativnost (prema Paulingu / prema Alpredu i Rochovu) \u003d 2,02 / -;
• Oksidacijsko stanje: +1; 0; -1;
• Gustina (n.a.) \u003d 0,0000899 g / cm 3;
• Molarni volumen = 14,1 cm 3 / mol.

Binarna jedinjenja vodonika sa kiseonikom:

Vodonik („rađanje vode“) otkrio je engleski naučnik G. Cavendish 1766. godine. Ovo je najjednostavniji element u prirodi - atom vodika ima jezgro i jedan elektron, vjerovatno je iz tog razloga vodonik najčešći element u svemiru (više od polovine mase većine zvijezda).

Za vodonik, možemo reći da je "kalem je mali, ali skup". Uprkos svojoj "jednostavnosti", vodik daje energiju svim živim bićima na Zemlji - na Suncu se odvija kontinuirana termonuklearna reakcija tokom koje se od četiri atoma vodika formira jedan atom helijuma, a ovaj proces je praćen oslobađanjem ogromne količine energija (za više detalja pogledajte Nuklearna fuzija).

U zemljinoj kori maseni udio vodonika je samo 0,15%. U međuvremenu, velika većina (95%) svih kemikalija poznatih na Zemlji sadrži jedan ili više atoma vodika.

U jedinjenjima s nemetalima (HCl, H 2 O, CH 4 ...), vodik predaje svoj jedini elektron elektronegativnijim elementima, pokazujući oksidacijsko stanje od +1 (češće), formirajući samo kovalentne veze (vidi Kovalentne obveznica).

U jedinjenjima s metalima (NaH, CaH 2 ...) vodonik, naprotiv, preuzima na svojoj jedinoj s-orbitali još jedan elektron, pokušavajući tako dovršiti svoj elektronski sloj, pokazujući oksidacijsko stanje -1 (rjeđe) , formirajući češće ionsku vezu (vidi Jonska veza), budući da razlika u elektronegativnosti atoma vodika i atoma metala može biti prilično velika.

H2

U gasovitom stanju, vodonik je u obliku dvoatomskih molekula, formirajući nepolarnu kovalentnu vezu.

Molekuli vodonika imaju:

• velika mobilnost;
• velika snaga;
• niska polarizabilnost;
• male veličine i težine.

Svojstva gasovitog vodonika:

• najlakši plin u prirodi, bez boje i mirisa;
• slabo topiv u vodi i organskim otapalima;
• rastvara se u malim količinama u tečnim i čvrstim metalima (posebno u platini i paladijumu);
• teško se ukapljuje (zbog niske polarizabilnosti);
• ima najveću toplotnu provodljivost od svih poznatih gasova;
• kada se zagrije, reagira s mnogim nemetalima, pokazujući svojstva redukcijskog agensa;
• na sobnoj temperaturi reaguje sa fluorom (dolazi do eksplozije): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaguje sa metalima da formira hidride, pokazujući oksidaciona svojstva: H 2 + Ca = CaH 2;

U jedinjenjima, vodonik pokazuje svoja redukujuća svojstva mnogo jače nego oksidirajuća. Vodik je najjači reduktor nakon uglja, aluminija i kalcija. Redukciona svojstva vodika se široko koriste u industriji za dobivanje metala i nemetala (jednostavnih tvari) iz oksida i galida.

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O

Reakcije vodika sa jednostavnim supstancama

Vodonik prihvata elektron, igrajući tu ulogu redukciono sredstvo, u reakcijama:

• With kiseonik(kada se zapali ili u prisustvu katalizatora), u omjeru 2:1 (vodik:kiseonik) nastaje eksplozivni detonirajući gas: 2H 2 0 + O 2 = 2H 2 +1 O + 572 kJ
• With siva(kada se zagrije na 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• With hlor(kada se zapali ili ozrači UV zracima): H 2 0 + Cl 2 = 2H +1 Cl
• With fluor: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
• With nitrogen(kada se zagrijava u prisustvu katalizatora ili pod visokim pritiskom): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Vodonik donira elektron, igrajući tu ulogu oksidaciono sredstvo, u reakcijama sa alkalna I alkalna zemlja metali koji formiraju metalne hidride - jonska jedinjenja nalik solima koja sadrže hidridne ione H - su nestabilne kristalne supstance bele boje.

Ca + H 2 = CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \u003d 2NaH -1

Neuobičajeno je da vodonik pokazuje oksidaciono stanje od -1. Reagirajući s vodom, hidridi se razgrađuju, reducirajući vodu u vodonik. Reakcija kalcijum hidrida sa vodom je sljedeća:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2

Reakcije vodonika sa složenim supstancama

• na visokoj temperaturi, vodik reducira mnoge metalne okside: ZnO + H 2 = Zn + H 2 O
• metil alkohol se dobija kao rezultat reakcije vodonika sa ugljenmonoksidom (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• u reakcijama hidrogenacije, vodik reagira s mnogim organskim tvarima.

Detaljnije, jednačine hemijskih reakcija vodonika i njegovih jedinjenja razmatraju se na stranici „Vodonik i njegova jedinjenja – jednadžbe hemijskih reakcija koje uključuju vodonik“.

Primena vodonika

• u nuklearnoj energiji koriste se izotopi vodika - deuterijum i tricij;
• u hemijskoj industriji vodik se koristi za sintezu mnogih organskih supstanci, amonijaka i hlorovodonika;
• u prehrambenoj industriji vodonik se koristi u proizvodnji čvrstih masti hidrogenacijom biljnih ulja;
• za zavarivanje i rezanje metala koristi se visoka temperatura sagorijevanja vodika u kisiku (2600 ° C);
• u proizvodnji nekih metala, vodonik se koristi kao redukciono sredstvo (vidi gore);
• budući da je vodonik lagan plin, koristi se u aeronautici kao punilo za balone, balone, zračne brodove;
• Kao gorivo koristi se vodonik pomešan sa CO.

Naučnici su u posljednje vrijeme posvetili veliku pažnju potrazi za alternativnim izvorima obnovljive energije. Jedno od obećavajućih područja je "vodikova" energija, u kojoj se kao gorivo koristi vodonik, čiji je produkt sagorijevanja obična voda.

Metode za proizvodnju vodonika

Industrijske metode za proizvodnju vodonika:

• konverzija metana (katalitička redukcija vodene pare) vodenom parom na visokoj temperaturi (800°C) na nikalnom katalizatoru: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• konverzija ugljen monoksida parom (t=500°C) na Fe 2 O 3 katalizatoru: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• termička razgradnja metana: CH 4 \u003d C + 2H 2;
• gasifikacija čvrstih goriva (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• elektroliza vode (veoma skupa metoda kojom se dobija veoma čist vodonik): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratorijske metode za proizvodnju vodonika:

• djelovanje na metale (obično cink) sa klorovodičnom ili razrijeđenom sumpornom kiselinom: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2;
• interakcija vodene pare s vrućim željeznim strugotinama: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.