Hapnik on Maal kõige levinum element. Koos lämmastiku ja vähese hulga muude gaasidega moodustab vaba hapnik Maa atmosfääri. Selle sisaldus õhus on 20,95% mahust või 23,15% massist. Maakoores on 58% aatomitest seotud hapnikuaatomid (47% massist). Hapnik on osa veest (seotud hapniku varud hüdrosfääris on äärmiselt suured), kivimitest, paljudest mineraalidest ja sooladest ning seda leidub elusorganisme moodustavates rasvades, valkudes ja süsivesikutes. Peaaegu kogu Maa vaba hapnik tekib ja säilib fotosünteesi protsessi tulemusena.

Füüsikalised omadused.

Hapnik on värvitu, maitsetu ja lõhnatu gaas, õhust veidi raskem. See lahustub vees vähe (1 liitris vees 20 kraadi juures lahustub 31 ml hapnikku), kuid on siiski parem kui teised atmosfäärigaasid, mistõttu vesi on hapnikuga rikastatud. Hapniku tihedus tavatingimustes on 1,429 g/l. Temperatuuril -183 0 C ja rõhul 101,325 kPa muutub hapnik vedelaks. Vedel hapnik on sinaka värvusega, tõmmatakse magnetvälja ja -218,7 ° C juures moodustab see siniseid kristalle.

Looduslikul hapnikul on kolm isotoopi O 16, O 17, O 18.

Allotroopia- keemilise elemendi võime eksisteerida kahe või enama lihtsa aine kujul, mis erinevad ainult molekulis olevate aatomite arvu või struktuuri poolest.

Osoon O 3 – eksisteerib atmosfääri ülemistes kihtides 20-25 km kõrgusel Maa pinnast ja moodustab nn osoonikihi, mis kaitseb Maad Päikese kahjuliku ultraviolettkiirguse eest; kahvatulilla, suurtes kogustes spetsiifilise terava, kuid meeldiva lõhnaga mürgine gaas. Sulamistemperatuur on -192,7 0 C, keemistemperatuur on 111,9 0 C. Hapnik lahustub vees paremini.

Osoon on tugev oksüdeerija. Selle oksüdatiivne aktiivsus põhineb molekuli võimel laguneda koos aatomi hapniku vabanemisega:

See oksüdeerib paljusid lihtsaid ja keerulisi aineid. Mõne metalliga moodustab see osoniide, näiteks kaaliumosoniidi:

K + O 3 = KO 3

Osooni toodetakse spetsiaalsetes seadmetes - osonisaatorites. Neis muundatakse elektrilahenduse mõjul molekulaarne hapnik osooniks:

Sarnane reaktsioon toimub äikeselahenduse mõjul.

Osooni kasutamine on tingitud selle tugevatest oksüdeerivatest omadustest: seda kasutatakse kangaste pleegitamiseks, joogivee desinfitseerimiseks, meditsiinis desinfektsioonivahendina.

Osooni sissehingamine suurtes kogustes on kahjulik: ärritab silmade ja hingamiselundite limaskesti.

Keemilised omadused.

Keemilistes reaktsioonides teiste elementide (va fluori) aatomitega on hapnikul eranditult oksüdeerivad omadused

Kõige olulisem keemiline omadus on võime moodustada oksiide peaaegu kõigi elementidega. Samal ajal reageerib hapnik otse enamiku ainetega, eriti kuumutamisel.

Nende reaktsioonide tulemusena moodustuvad reeglina oksiidid, harvemini peroksiidid:

2Ca + O 2 = 2CaO

2Ba + O 2 = 2BaO

2Na + O 2 = Na 2 O 2

Hapnik ei interakteeru otseselt halogeenide, kulla ja plaatinaga, nende oksiidid saadakse kaudselt. Kuumutamisel põlevad hapnikus väävel, süsinik ja fosfor.

Hapniku interaktsioon lämmastikuga algab alles temperatuuril 1200 0 C või elektrilahenduses:

N2 + O2 = 2NO

Vesinikuga moodustab hapnik vett:

2H2 + O2 = 2H2O

Selle reaktsiooni käigus eraldub märkimisväärne kogus soojust.

Kahe mahuosa vesiniku ja ühe mahuosa hapniku segu plahvatab süütamisel; seda nimetatakse detoneerivaks gaasiks.

Paljud metallid kokkupuutel õhuhapnikuga hävivad - korrosioonile. Mõned metallid oksüdeeritakse tavatingimustes ainult pinnalt (näiteks alumiinium, kroom). Saadud oksiidkile takistab edasist koostoimet.

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3

Teatud tingimustel interakteeruvad keerulised ained ka hapnikuga. Sel juhul moodustuvad oksiidid ja mõnel juhul oksiidid ja lihtained.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

H 2S + O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O

4NН 3 +ЗО 2 =2N 2 +6Н 2 О

4CH3NH2 + 9O2 = 4CO2 + 2N2 + 10H2O

Komplekssete ainetega suhtlemisel toimib hapnik oksüdeeriva ainena. Selle oluline omadus, võime säilitada põlemine ained.

Hapnik moodustab ka vesinikuga ühendi - vesinikperoksiid H 2 O 2 - värvitu läbipaistev vedelik, terava kokkutõmbava maitsega, vees hästi lahustuv. Keemiliselt on vesinikperoksiid väga huvitav ühend. Sellele on iseloomulik madal stabiilsus: seistes laguneb see aeglaselt veeks ja hapnikuks:

H 2 O 2 = H 2 O + O 2

Valgus, kuumus, leeliste olemasolu ja kokkupuude oksüdeerivate või redutseerivate ainetega kiirendavad lagunemisprotsessi. Hapniku oksüdatsiooniaste vesinikperoksiidis = - 1, s.o. on hapniku oksüdatsiooniastme vahepealne vees (-2) ja molekulaarses hapnikus (0), seega on vesinikperoksiidil redoks-duaalsus. Vesinikperoksiidi oksüdeerivad omadused on palju rohkem väljendunud kui redutseerivad omadused ning need avalduvad happelises, aluselises ja neutraalses keskkonnas.

H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + I 2 + 2 H 2 O

Vesiniku keemilised omadused

Tavalistes tingimustes on molekulaarne vesinik suhteliselt vähe aktiivne, kombineerides otseselt ainult kõige aktiivsemate mittemetallidega (fluoriga ja valguses klooriga). Kuumutamisel reageerib see aga paljude elementidega.

Vesinik reageerib lihtsate ja keeruliste ainetega:

- Vesiniku interaktsioon metallidega viib keeruliste ainete - hüdriidide moodustumiseni, mille keemilistes valemites on metalliaatom alati esikohal:

Kõrgel temperatuuril reageerib vesinik otse mõne metalliga(leelis-, leelismuld- ja teised), moodustades valgeid kristalseid aineid - metallhüdriide (Li H, Na H, KH, CaH 2 jne):

H2 + 2Li = 2LiH

Metallhüdriidid lagunevad kergesti vee toimel, moodustades vastava leelise ja vesiniku:

Ca H2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2

- Kui vesinik interakteerub mittemetallidega tekivad lenduvad vesinikuühendid. Lenduva vesinikuühendi keemilises valemis võib vesinikuaatom olla kas esimesel või teisel kohal, olenevalt selle asukohast PSHE-s (vt plaati slaidil):

1). Hapnikuga Vesinik moodustab vett:

Video "Vesiniku põlemine"

2H2 + O2 = 2H2O + Q

Normaaltemperatuuril kulgeb reaktsioon äärmiselt aeglaselt, üle 550°C - plahvatusega (nimetatakse seguks 2 mahuosast H 2 ja 1 mahuosast O 2 plahvatusohtlik gaas) .

Video "Detoneeriva gaasi plahvatus"

Video "Plahvatusohtliku segu valmistamine ja plahvatus"

2). Halogeenidega Vesinik moodustab vesinikhalogeniide, näiteks:

H2 + Cl2 = 2HCl

Samal ajal plahvatab Vesinik koos fluoriga (isegi pimedas ja -252°C juures), reageerib kloori ja broomiga ainult valgustamisel või kuumutamisel ning joodiga ainult kuumutamisel.

3). Lämmastikuga Vesinik reageerib ammoniaagiks:

ZN2 + N2 = 2NH3

ainult katalüsaatoril ja kõrgendatud temperatuuridel ja rõhul.

4). Kuumutamisel reageerib vesinik intensiivselt väävliga:

H2 + S = H2S (vesiniksulfiid),

palju keerulisem seleeni ja telluuriga.

5). Puhta süsinikuga Vesinik võib reageerida ilma katalüsaatorita ainult kõrgetel temperatuuridel:

2H2 + C (amorfne) = CH4 (metaan)

- Vesinik läbib asendusreaktsiooni metallioksiididega , sel juhul tekib toodetes vesi ja metall väheneb. Vesinik - omab redutseeriva aine omadusi:

Kasutatakse vesinikku paljude metallide taaskasutamiseks, kuna see võtab nende oksiididest hapniku ära:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O jne.

Vesiniku rakendused

Video "Vesiniku kasutamine"

Praegu toodetakse vesinikku tohututes kogustes. Väga suur osa sellest kasutatakse ammoniaagi sünteesil, rasvade hüdrogeenimisel ning kivisöe, õlide ja süsivesinike hüdrogeenimisel. Lisaks kasutatakse vesinikku vesinikkloriidhappe, metüülalkoholi, vesiniktsüaniidhappe sünteesiks, metallide keevitamisel ja sepistamisel, samuti hõõglampide ja vääriskivide valmistamisel. Vesinikku müüakse balloonides rõhuga üle 150 atm. Need on värvitud tumeroheliseks ja neil on punane kiri "Vesinik".

Vesinikku kasutatakse vedelate rasvade muundamiseks tahketeks rasvadeks (hüdrogeenimine), mis toodab söe ja kütteõli hüdrogeenimise teel vedelkütust. Metallurgias kasutatakse vesinikku oksiidide või kloriidide redutseerijana metallide ja mittemetallide (germaanium, räni, gallium, tsirkoonium, hafnium, molübdeen, volfram jne) tootmiseks.

Vesiniku praktilised kasutusalad on mitmekesised: seda kasutatakse tavaliselt sondiõhupallide täitmiseks, keemiatööstuses on see tooraine paljude väga oluliste toodete (ammoniaak jne) tootmisel, toiduainetööstuses - tootmiseks. tahkete rasvade tootmine taimeõlidest jne. Kõrget temperatuuri (kuni 2600 °C), mis saadakse vesiniku põletamisel hapnikus, kasutatakse tulekindlate metallide, kvartsi jms sulatamiseks. Vedel vesinik on üks tõhusamaid lennukikütuseid. Ülemaailmne vesiniku tarbimine ületab 1 miljonit tonni aastas.

SIMULAATORID

nr 2. Vesinik

ÜLESANDE ÜLESANDED

Ülesanne nr 1
Kirjutage üles reaktsioonivõrrandid vesiniku koostoime kohta järgmiste ainetega: F 2, Ca, Al 2 O 3, elavhõbe(II)oksiid, volfram(VI)oksiid. Nimetage reaktsiooniproduktid, märkige reaktsioonide liigid.

Ülesanne nr 2
Tehke teisendused vastavalt skeemile:
H2O -> H2 -> H2S -> SO 2

Ülesanne nr 3.
Arvutage välja vee mass, mida saab 8 g vesiniku põletamisel?

Tunni eesmärk. Selles õppetükis saate teada maapealse elu jaoks võib-olla kõige olulisematest keemilistest elementidest - vesinikust ja hapnikust, nende keemilistest omadustest, samuti nende moodustatavate lihtsate ainete füüsikalistest omadustest, saate rohkem teada hapniku ja vesiniku rollist. looduses ja elus inimene.

Vesinik– Universumi kõige levinum element. Hapnik– kõige levinum element Maal. Koos moodustavad nad vee, aine, mis moodustab üle poole inimkeha massist. Hapnik on gaas, mida vajame hingamiseks ja ilma veeta ei saaks me elada isegi paar päeva, seega võime kahtlemata pidada hapnikku ja vesinikku kõige olulisemateks eluks vajalikeks keemilisteks elementideks.

Vesiniku ja hapniku aatomite struktuur

Seega on vesinikul mittemetallilised omadused. Looduses leidub vesinikku kolme isotoobina, protiumi, deuteeriumi ja triitiumi kujul.Vesiniku isotoobid on üksteisest füüsikaliste omaduste poolest väga erinevad, mistõttu neile omistatakse isegi üksikud sümbolid.

Kui te ei mäleta või ei tea, mis isotoobid on, kasutage elektroonilise õppematerjali „Isotoobid kui ühe keemilise elemendi aatomite sordid“ materjalidega. Selles saate teada, kuidas ühe elemendi isotoobid üksteisest erinevad, milleni ühe elemendi mitme isotoobi olemasolu viib ning tutvute ka mitme elemendi isotoopidega.

Seega on hapniku võimalikud oksüdatsiooniastmed piiratud väärtustega -2 kuni +2. Kui hapnik võtab vastu kaks elektroni (muutub aniooniks) või moodustab vähem elektronegatiivsete elementidega kaks kovalentset sidet, läheb see oksüdatsiooniolekusse –2. Kui hapnik moodustab ühe sideme teise hapnikuaatomiga ja teise sideme vähem elektronegatiivse elemendi aatomiga, läheb see oksüdatsiooniolekusse –1. Moodustades kaks kovalentset sidet fluoriga (ainus kõrgema elektronegatiivsuse väärtusega element), läheb hapnik oksüdatsiooniolekusse +2. Ühe sideme moodustamine teise hapnikuaatomiga ja teise fluoriaatomiga – +1. Lõpuks, kui hapnik moodustab ühe sideme vähem elektronegatiivse aatomiga ja teise sideme fluoriga, on see oksüdatsiooniaste 0.

Vesiniku ja hapniku füüsikalised omadused, hapniku allotroopia

Vesinik– värvitu gaas ilma maitse ja lõhnata. Väga kerge (14,5 korda õhust kergem). Vesiniku veeldamise temperatuur – -252,8 °C – on kõigist gaasidest peaaegu madalaim (heeliumi järel teisel kohal). Vedel ja tahke vesinik on väga kerged, värvitud ained.

Hapnik- värvitu, maitsetu ja lõhnatu gaas, õhust veidi raskem. Temperatuuril -182,9 °C muutub see raskeks siniseks vedelikuks, -218 °C juures tahkub siniste kristallide tekkega. Hapniku molekulid on paramagnetilised, mis tähendab, et hapnik tõmbab magneti külge. Hapnik lahustub vees halvasti.

Erinevalt vesinikust, mis moodustab ainult ühte tüüpi molekule, avaldab hapnik allotroopiat ja moodustab kahte tüüpi molekule, see tähendab, et hapniku element moodustab kaks lihtsat ainet: hapnik ja osoon.

Lihtainete keemilised omadused ja valmistamine

Vesinik.

Side vesiniku molekulis on üksikside, kuid see on üks tugevamaid üksiksidemeid looduses ja selle purustamiseks on vaja kulutada palju energiat, sel põhjusel on vesinik toatemperatuuril väga passiivne, kuid temperatuuri tõustes (või katalüsaatori juuresolekul) interakteerub vesinik kergesti paljude lihtsate ja keeruliste ainetega.

Keemilisest vaatenurgast on vesinik tüüpiline mittemetall. See tähendab, et see on võimeline suhtlema aktiivsete metallidega, moodustades hüdriide, mille oksüdatsiooniaste on –1. Mõne metalliga (liitium, kaltsium) toimub interaktsioon isegi toatemperatuuril, kuid üsna aeglaselt, seetõttu kasutatakse hüdriidide sünteesil kuumutamist:

,

.

Hüdriidide moodustumine lihtainete otsesel interaktsioonil on võimalik ainult aktiivsete metallide puhul. Alumiinium ei interakteeru enam otseselt vesinikuga, selle hüdriid saadakse vahetusreaktsioonide teel.

Ka vesinik reageerib mittemetallidega ainult kuumutamisel. Erandiks on halogeenid kloor ja broom, millega võib valgus esile kutsuda reaktsiooni:

.

Reaktsioon fluoriga ei vaja ka kuumutamist, see kulgeb plahvatuslikult isegi tugeval jahutamisel ja absoluutses pimeduses.

Reaktsioon hapnikuga kulgeb mööda hargnenud ahela mehhanismi, mistõttu reaktsioonikiirus suureneb kiiresti ning hapniku ja vesiniku segus vahekorras 1:2 kulgeb reaktsioon plahvatusega (sellist segu nimetatakse plahvatusohtlikuks gaasiks). ):

.

Reaktsioon väävliga kulgeb palju rahulikumalt, soojust praktiliselt ei teki:

.

Reaktsioonid lämmastiku ja joodiga on pöörduvad:

,

.

See asjaolu muudab ammoniaagi saamise tööstuses väga keeruliseks: protsess nõuab suurema rõhu kasutamist, et segada tasakaal ammoniaagi moodustumise suunas. Vesinikjodiidi ei saada otsese sünteesi teel, kuna selle sünteesiks on mitmeid palju mugavamaid meetodeid.

Vesinik ei reageeri otseselt madala aktiivsusega mittemetallidega (), kuigi selle ühendid nendega on teada.

Reaktsioonides keeruliste ainetega toimib vesinik enamikul juhtudel redutseeriva ainena. Lahustes võib vesinik redutseerida madala aktiivsusega metalle (mis asuvad pingereas pärast vesinikku) nende sooladest:

Kuumutamisel võib vesinik redutseerida paljusid metalle nende oksiididest. Veelgi enam, mida aktiivsem on metall, seda keerulisem on seda taastada ja seda kõrgem on selleks vajalik temperatuur:

.

Tsingist aktiivsemaid metalle on peaaegu võimatu vesinikuga redutseerida.

Vesinikku toodetakse laboris metallide reageerimisel tugevate hapetega. Kõige sagedamini kasutatakse tsinki ja vesinikkloriidhapet:

Harvem kasutatakse vee elektrolüüsi tugevate elektrolüütide juuresolekul:

Tööstuses saadakse naatriumhüdroksiidi tootmisel naatriumkloriidi lahuse elektrolüüsil kõrvalsaadusena vesinik:

Lisaks saadakse vesinikku nafta rafineerimisel.

Vesiniku tootmine vee fotolüüsi teel on üks paljutõotavamaid meetodeid tulevikus, kuid praegu on selle meetodi tööstuslik rakendamine keeruline.

Töö elektrooniliste õpperessursside materjalidega Laboritööd “Vesiniku teke ja omadused” ja Laboritööd “Vesiniku redutseerivad omadused”. Uurige Kippi aparaadi ja Kirjuškini aparaadi tööpõhimõtet. Mõelge, millistel juhtudel on mugavam kasutada Kippi aparaati ja millistel on mugavam kasutada Kirjuškini aparaati. Milliseid omadusi avaldab vesinik reaktsioonides?

Hapnik.

Side hapnikumolekulis on kahekordne ja väga tugev. Seetõttu on hapnik toatemperatuuril üsna inaktiivne. Kuumutamisel hakkab see aga avaldama tugevaid oksüdeerivaid omadusi.

Hapnik reageerib kuumutamata aktiivsete metallidega (leelis, leelismuld ja mõned lantaniidid):

Kuumutamisel reageerib hapnik enamiku metallidega, moodustades oksiide:

,

,

.

Hõbedat ja vähemaktiivseid metalle hapnik ei oksüdeeri.

Hapnik reageerib ka enamiku mittemetallidega, moodustades oksiide:

,

,

.

Koostoime lämmastikuga toimub ainult väga kõrgetel temperatuuridel, umbes 2000 °C.

Hapnik ei reageeri kloori, broomi ja joodiga, kuigi paljusid nende oksiide on võimalik saada kaudselt.

Hapniku ja fluori interaktsiooni saab läbi viia elektrilahenduse juhtimisel läbi gaasisegu:

.

Hapnik(II)fluoriid on ebastabiilne ühend, laguneb kergesti ja on väga tugev oksüdeerija.

Lahustes on hapnik tugev, kuigi aeglane oksüdeerija. Reeglina soodustab hapnik metallide üleminekut kõrgematele oksüdatsiooniastmetele:

Hapniku olemasolu võimaldab sageli pingereas vahetult vesiniku taga asuvatel metallidel lahustuda hapetes:

Kuumutamisel võib hapnik oksüdeerida madalamaid metallioksiide:

.

Tööstuses ei saada hapnikku keemiliste meetoditega, seda saadakse õhust destilleerimise teel.

Laboris kasutavad nad kuumutamisel hapnikurikaste ühendite - nitraatide, kloraatide, permanganaatide - lagunemisreaktsioone:

Hapnikku saate ka vesinikperoksiidi katalüütilise lagunemise kaudu:

Lisaks saab ülaltoodud vee elektrolüüsi reaktsiooni kasutada hapniku tootmiseks.

Töö elektroonilise õpperessursi materjalidega Laboritöö “Hapniku tootmine ja selle omadused”.

Kuidas nimetatakse laboritöös kasutatavat hapniku kogumise meetodit? Millised gaaside kogumise meetodid on veel olemas ja millised neist sobivad hapniku kogumiseks?

Ülesanne 1. Vaadake videoklippi “Kaaliumpermanganaadi lagunemine kuumutamisel”.

Vasta küsimustele:

1. 1. Milline tahketest reaktsioonisaadustest lahustub vees?
   2. Mis värvi on kaaliumpermanganaadi lahus?
   3. Mis värvi on kaaliummanganaadi lahus?

Kirjutage üles toimuvate reaktsioonide võrrandid. Tasakaalustage need elektroonilise tasakaalu meetodil.

Arutage ülesannet oma õpetajaga videoruumis või videoruumis.

Osoon.

Osoonimolekul on kolmeaatomiline ja selles olevad sidemed on vähem tugevad kui hapniku molekulis, mis põhjustab osooni suuremat keemilist aktiivsust: osoon oksüdeerib kergesti paljusid aineid lahustes või kuival kujul ilma kuumutamata:

Osoon võib kergesti oksüdeerida lämmastik(IV)oksiidi lämmastik(V)oksiidiks ja väävel(IV)oksiidi väävel(VI)oksiidiks ilma katalüsaatorita:

Osoon laguneb järk-järgult hapnikuks:

Osooni tootmiseks kasutatakse spetsiaalseid seadmeid - osonisaatoreid, milles hõõglahendus lastakse läbi hapniku.

Laboris kasutatakse väikeste koguste osooni saamiseks mõnikord kuumutamisel peroksoühendite ja mõnede kõrgemate oksiidide lagunemisreaktsioone:

Töö elektroonilise õpperessursi materjalidega Laboritöö “Osooni tootmine ja selle omaduste uurimine”.

Selgitage, miks indigolahuse värvus muutub. Kirjutage reaktsioonide võrrandid, mis tekivad plii nitraadi ja naatriumsulfiidi lahuste segamisel ja osoonitud õhu juhtimisel saadud suspensioonist. Kirjutage ioonvahetusreaktsiooni ioonvõrrandid. Redoksreaktsiooni jaoks looge elektronide tasakaal.

Arutage ülesannet oma õpetajaga videoruumis või videoruumis.

Vee keemilised omadused

Vee füüsikaliste omaduste ja selle olulisusega paremini tutvumiseks kasutage elektroonilisi õppematerjale “Vee anomaalsed omadused” ja “Vesi on kõige olulisem vedelik Maal”.

Vesi on kõigi elusorganismide jaoks väga oluline – tegelikult koosnevad paljud elusorganismid enam kui poolest veest. Vesi on üks universaalsemaid lahusteid (kõrgetel temperatuuridel ja rõhul suureneb oluliselt selle võime lahustina). Keemilisest vaatenurgast on vesi vesinikoksiid ja vesilahuses dissotsieerub (ehkki väga vähesel määral) vesinikkatioonideks ja hüdroksiidianioonideks:

.

Vesi reageerib paljude metallidega. Vesi reageerib aktiivsete ainetega (leelismuld, leelismuld ja mõned lantaniidid) ilma kuumutamata:

Kuumutamisel tekib koostoime vähemaktiivsetega.

Üldine ja anorgaaniline keemia

Loeng 6. Vesinik ja hapnik. Vesi. Vesinikperoksiidi.

Vesinik

Vesinikuaatom on keemia lihtsaim objekt. Rangelt võttes on selle ioon, prooton, veelgi lihtsam. Esmakordselt kirjeldas 1766. aastal Cavendish. Nimi kreeka keelest. "hüdrogeenid" – vee genereerimine.

Vesinikuaatomi raadius on ligikaudu 0,5 * 10-10 m ja selle ioon (prooton) on 1,2 x 10-15 m. Või 50 pm kuni 1,2 x 10-3 pm või 50 meetrit (SCA diagonaal) kuni 1 mm.

Järgmine 1s element, liitium, muutub Li+ puhul ainult 155-lt 68-le. Selline erinevus aatomi ja selle katiooni suurustes (5 suurusjärku) on ainulaadne.

Prootoni väiksuse tõttu toimub vahetus vesinikside, peamiselt hapniku, lämmastiku ja fluori aatomite vahel. Vesiniksidemete tugevus on 10-40 kJ/mol, mis on oluliselt väiksem enamike tavaliste sidemete purunemisenergiast (orgaanilistes molekulides 100-150 kJ/mol), kuid suurem kui soojusliikumise keskmine kineetiline energia 370 C juures. (4 kJ/mol). Selle tulemusena katkevad elusorganismis vesiniksidemed pöörduvalt, tagades elutähtsate protsesside kulgemise.

Vesinik sulab temperatuuril 14 K, keeb temperatuuril 20,3 K (rõhk 1 atm), vedela vesiniku tihedus on vaid 71 g/l (14 korda kergem kui vees).

Haruldatud tähtedevahelises keskkonnas avastati ergastatud vesinikuaatomid üleminekutega kuni n 733 → 732 lainepikkusega 18 m, mis vastab Bohri raadiusele (r = n2 * 0,5 * 10-10 m) suurusjärgus 0,1 mm ( !).

Kosmoses levinuim element (88,6% aatomitest, 11,3% aatomitest on heelium ja ainult 0,1% kõigi teiste elementide aatomid).

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

Kuna prootonite spinn on 1/2, on vesiniku molekule kolm varianti:

ortovesinik o-H2 paralleelsete tuumaspinnidega, paravesinik p-H2 koos antiparalleelne spinnid ja tavaline n-H2 - 75% ortovesiniku ja 25% paravesiniku segu. Transformatsiooni käigus eraldub o-H2 → p-H2 1418 J/mol.

Orto- ja paravesiniku omadused

Kuna vesiniku aatommass on minimaalne võimalik, erinevad selle isotoobid - deuteerium D (2 H) ja triitium T (3 H) füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest oluliselt protium 1 H-st. Näiteks ühe vesiniku asendamine orgaanilises ühendis deuteeriumiga mõjutab märgatavalt selle vibratsiooni (infrapuna) spektrit, mis võimaldab määrata keeruliste molekulide struktuuri. Sarnaseid asendusi ("märgistatud aatomi meetod") kasutatakse ka kompleksi mehhanismide kindlaksmääramiseks

keemilised ja biokeemilised protsessid. Märgistatud aatomi meetod on eriti tundlik protiumi asemel radioaktiivse triitiumi kasutamisel (β-lagunemine, poolestusaeg 12,5 aastat).

Protiumi ja deuteeriumi omadused

					Tihedus, g/l (20 K)
Põhimeetod vesiniku tootmine tööstuses – metaani muundamine
või kivisöe hüdratatsioon 800-11000 C juures (katalüsaator):
CH4 + H2O = CO + 3 H2				üle 10000 C
"Vesigaas": C + H2 O = CO + H2
Siis CO konversioon: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C, koobaltoksiidid

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

Muud vesiniku allikad.

Koksiahju gaas: umbes 55% vesinikku, 25% metaani, kuni 2% raskeid süsivesinikke, 4-6% CO, 2% CO2, 10-12% lämmastikku.

Vesinik põlemisproduktina:

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

1 kg pürotehnilise segu kohta eraldub kuni 370 liitrit vesinikku.

Vesinikku lihtaine kujul kasutatakse ammoniaagi tootmiseks ja taimsete rasvade hüdrogeenimiseks (kõvenemiseks), teatud metallide (molübdeen, volfram) oksiididest redutseerimiseks, hüdriidide (LiH, CaH2,

LiAlH4).

Reaktsiooni entalpia: H. + H. = H2 on -436 kJ/mol, seega kasutatakse kõrgtemperatuurse redutseeriva "leegi" ("Langmuiri põleti") tekitamiseks aatomi vesinikku. Elektrikaares olev vesinikujuga pihustatakse 35 000 C juures 30%, siis aatomite rekombinatsiooniga on võimalik saavutada 50 000 C.

Rakettides kasutatakse kütusena veeldatud vesinikku (vt hapnik). Keskkonnasõbralik kütus maismaatranspordile; Käimas on katsed metallhüdriidvesinikpatareide kasutamiseks. Näiteks võib LaNi5 sulam absorbeerida 1,5–2 korda rohkem vesinikku, kui sisaldub samas mahus (sulami mahuga) vedelas vesinikus.

Hapnik

Praeguseks üldtunnustatud andmetel avastas hapniku 1774. aastal J. Priestley ja iseseisvalt K. Scheele. Hapniku avastamise ajalugu on hea näide paradigmade mõjust teaduse arengule (vt lisa 1).

Ilmselt avastati hapnik tegelikult ametlikust kuupäevast palju varem. 1620. aastal võis igaüks Cornelius van Drebbeli projekteeritud allveelaevaga Thamesil (Thamesis) sõita. Paat liikus vee all tänu tosina sõudja pingutustele. Arvukate pealtnägijate sõnul lahendas allveelaeva leiutaja hingamisprobleemi edukalt, "värskendades" selles olevat õhku keemiliselt. Robert Boyle kirjutas 1661. aastal: „... Lisaks paadi mehaanilisele ehitusele oli leiutajal keemiline lahus (vedelik), mille ta

peetakse sukeldumise peamiseks saladuseks. Ja kui ta aeg-ajalt oli veendunud, et osa hingamiseks sobivast õhust on juba ära kasutatud ja paadis viibivatel inimestel oli raske hingata, võis ta selle lahusega täidetud anuma lahti korgides kiiresti uuesti õhku täiendada. õhku sellise elutähtsate osade sisaldusega, mis muudaks selle taas piisavalt pikaks ajaks hingamiskõlblikuks.

Rahulikus olekus terve inimene pumpab ööpäevas läbi kopsude umbes 7200 liitrit õhku, võttes pöördumatult sisse 720 liitrit hapnikku. Kinnises ruumis, mille maht on 6 m3, suudab inimene ilma ventilatsioonita toime tulla kuni 12 tundi, füüsilise tööga 3-4 tundi. Hingamisraskuste peamine põhjus ei ole hapnikupuudus, vaid süsinikdioksiidi kogunemine 0,3 kuni 2,5%.

Pikka aega oli peamine hapniku tootmise meetod baariumitsükkel (hapniku tootmine Breeni meetodil):

BaSO4 -t-→ BaO + SO3;

5000 C ->

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

Drebbeli salalahus võiks olla vesinikperoksiidi lahus: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

Hapniku saamine pürolüüsisegu põletamisel: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 kJ

Segu sisaldab kuni 80% NaClO3, kuni 10% rauapulbrit, 4% baariumperoksiidi ja klaasvilla.

Hapniku molekul on paramagnetiline (praktiliselt biradikaal), seetõttu on selle aktiivsus kõrge. Õhus olevad orgaanilised ained oksüdeeritakse läbi peroksiidi moodustumise etapi.

Hapnik sulab temperatuuril 54,8 K ja keeb temperatuuril 90,2 K.

Hapnikuelemendi allotroopne modifikatsioon on aine osoon O3. Maa bioloogiline osoonikaitse on äärmiselt oluline. 20-25 km kõrgusel saavutatakse tasakaal:

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

1974. aastal avastati, et enam kui 25 km kõrgusel freoonidest moodustuv aatomkloor katalüüsib osooni lagunemist, justkui asendades "osooni" ultraviolettkiirgust. See UV võib põhjustada nahavähki (USA-s kuni 600 tuhat juhtu aastas). Freoonide keeld aerosoolpurkides on kehtinud USA-s alates 1978. aastast.

Alates 1990. aastast on keelatud ainete nimekirjas (92 riigis) CH3 CCl3, CCl4 ja klorobroomitud süsivesinikud – nende tootmine lõpetatakse 2000. aastaks.

Vesiniku põlemine hapnikus

Reaktsioon on väga keeruline (skeem 3. loengus), mistõttu oli enne praktilist rakendamist vaja pikka õppimist.

21. juulil 1969 kõndis Kuu peal esimene maamees N. Armstrong. Raketiheitja Saturn 5 (konstrueerija Wernher von Braun) koosneb kolmest etapist. Esimene sisaldab petrooleumi ja hapnikku, teine ​​ja kolmas vedelat vesinikku ja hapnikku. Kokku 468 tonni vedelat O2 ja H2. Tehti 13 edukat käivitamist.

Alates 1981. aasta aprillist lendab Ameerika Ühendriikides Space Shuttle: 713 tonni vedelat O2 ja H2, samuti kaks tahkekütuse kiirendit, kumbki 590 tonni (tahkekütuse kogumass 987 tonni). Esimesed 40 km tõusu TTÜ-sse, 40-113 km töötavad mootorid vesiniku ja hapnikuga.

15. mail 1987 „Energia“ esimene start, 15. novembril 1988 „Buran“ esimene ja ainus lend. Stardi kaal 2400 tonni, kütuse kaal (petrooleum sisse

külgmised sektsioonid, vedel O2 ja H2) 2000 tonni.Mootori võimsus 125000 MW, kandevõime 105 tonni.

Põlemine ei olnud alati kontrollitud ja edukas.

1936. aastal ehitati maailma suurim vesiniku õhulaev LZ-129 Hindenburg. Maht 200 000 m3, pikkus ca 250 m, läbimõõt 41,2 m Kiirus 135 km/h tänu 4 mootorile 1100 hj, kandevõime 88 tonni. Õhulaev tegi 37 lendu üle Atlandi ja vedas üle 3 tuhande reisija.

6. mail 1937 USA-s dokkides õhulaev plahvatas ja põles. Üks võimalik põhjus on sabotaaž.

28. jaanuaril 1986, lennu 74. sekundil, plahvatas Challenger koos seitsme astronaudiga – Shuttle’i süsteemi 25. lend. Põhjuseks tahkekütuse gaasipedaali rike.

Demonstratsioon:

detoneeriva gaasi (vesiniku ja hapniku segu) plahvatus

Kütuseelemendid

Selle põlemisreaktsiooni tehniliselt oluline variant on jagada protsess kaheks:

vesiniku elektrooksüdatsioon (anood): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

hapniku elektroredutseerimine (katood): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

Süsteem, milles selline "põlemine" toimub, on kütuseelement. Kasutegur on palju kõrgem kui soojuselektrijaamadel, kuna seda pole

soojuse tootmise erietapp. Maksimaalne efektiivsus = ∆ G/∆ H; vesiniku põlemisel osutub see 94%.

Efekt on teada juba 1839. aastast, kuid kasutusele on võetud esimesed praktiliselt töötavad kütuseelemendid

20. sajandi lõpus kosmoses (“Gemini”, “Apollo”, “Shuttle” - USA, “Buran” - NSVL).

Kütuseelementide väljavaated [17]

Ballard Power Systemsi esindaja rõhutas Washingtonis toimunud teaduskonverentsil esinedes, et kütuseelemendimootor muutub äriliselt elujõuliseks, kui see vastab neljale põhikriteeriumile: toodetava energia maksumuse vähendamine, vastupidavuse suurendamine, paigaldise mõõtmete vähendamine ja võime kiiresti käivitada külma ilmaga. Kütuseelemendi paigaldamisel toodetud ühe kilovati energia hind peaks langema 30 dollarile. Võrdluseks, 2004. aastal oli sama näitaja 103 dollarit ja 2005. aastal peaks see ulatuma 80 dollarini. Selle hinna saavutamiseks on vaja toota vähemalt 500 tuhat mootorit aastas. Euroopa teadlased on oma prognoosides ettevaatlikumad ja usuvad, et vesinikkütuseelementide kaubanduslik kasutamine autotööstuses algab mitte varem kui 2020. aastal.

• Nimetus - H (vesinik);
• Ladinakeelne nimetus - Hydrogenium;
• Periood - I;
• rühm - 1 (Ia);
• Aatommass - 1,00794;
• Aatomarv - 1;
• Aatomi raadius = 53 pm;
• Kovalentne raadius = 32 pm;
• Elektronide jaotus - 1s 1;
• sulamistemperatuur = -259,14 °C;
• keemistemperatuur = -252,87 °C;
• Elektronegatiivsus (Paulingi järgi/Alredi ja Rochowi järgi) = 2,02/-;
• Oksüdatsiooniaste: +1; 0; -1;
• Tihedus (nr) = 0,0000899 g/cm3;
• Molaarmaht = 14,1 cm 3 /mol.

Vesiniku binaarsed ühendid hapnikuga:

Vesiniku (“vee sünnitamine”) avastas inglise teadlane G. Cavendish 1766. aastal. Tegemist on kõige lihtsama elemendiga looduses – vesinikuaatomil on tuum ja üks elektron, ilmselt seetõttu on vesinik Universumis kõige enam esinev element (moodustab enam kui poole enamiku tähtede massist).

Vesiniku kohta võime öelda, et "pool on väike, kuid kallis." Hoolimata oma "lihtsusest" annab vesinik energiat kõigile Maal elavatele olenditele – Päikesel toimub pidev termotuumareaktsioon, mille käigus moodustub neljast vesinikuaatomist üks heeliumiaatom, millega kaasneb kolossaalse koguse energia vabanemine. (lisateabe saamiseks vt Tuumasünteesi).

Maakoores on vesiniku massiosa vaid 0,15%. Samal ajal sisaldab valdav enamus (95%) kõigist Maal teadaolevatest keemilistest ainetest ühte või mitut vesinikuaatomit.

Mittemetallidega ühendites (HCl, H 2 O, CH 4 ...) loovutab vesinik oma ainsa elektroni rohkematele elektronegatiivsetele elementidele, mille oksüdatsiooniaste on +1 (sagedamini), moodustades ainult kovalentseid sidemeid (vt Kovalentne). võlakiri).

Metallidega ühendites (NaH, CaH 2 ...) võtab vesinik vastupidi oma ainsasse s-orbitaali teise elektroni, püüdes seega oma elektroonilist kihti täiendada, oksüdatsiooniaste on -1 (harvemini), moodustades sageli ioonse sideme (vt Ioonside), sest vesinikuaatomi ja metalliaatomi elektronegatiivsuse erinevus võib olla päris suur.

H 2

Gaasilises olekus eksisteerib vesinik kaheaatomiliste molekulide kujul, moodustades mittepolaarse kovalentse sideme.

Vesiniku molekulidel on:

• suur liikuvus;
• suur tugevus;
• madal polariseeritavus;
• väike suurus ja kaal.

Gaasilise vesiniku omadused:

• looduses kõige kergem gaas, värvitu ja lõhnatu;
• vees ja orgaanilistes lahustites halvasti lahustuv;
• lahustub väikestes kogustes vedelates ja tahketes metallides (eriti plaatinas ja pallaadiumis);
• raskesti vedeldatav (väheda polariseeritavuse tõttu);
• on kõigist teadaolevatest gaasidest kõrgeima soojusjuhtivusega;
• kuumutamisel reageerib see paljude mittemetallidega, avaldades redutseeriva aine omadusi;
• toatemperatuuril reageerib fluoriga (toimub plahvatus): H 2 + F 2 = 2HF;
• reageerib metallidega, moodustades hüdriide, millel on oksüdeerivad omadused: H 2 + Ca = CaH 2 ;

Ühendites avaldab vesinik redutseerivaid omadusi palju tugevamini kui oksüdeerivaid omadusi. Vesinik on kivisöe, alumiiniumi ja kaltsiumi järel võimsaim redutseerija. Vesiniku redutseerivaid omadusi kasutatakse laialdaselt tööstuses metallide ja mittemetallide (lihtainete) saamiseks oksiididest ja galliididest.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Vesiniku reaktsioonid lihtainetega

Vesinik võtab elektroni vastu, mängides rolli redutseerija, reaktsioonides:

• Koos hapnikku(süütamisel või katalüsaatori juuresolekul) tekib vahekorras 2:1 (vesinik:hapnik) plahvatusohtlik detoneeriv gaas: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• Koos hall(kuumutamisel temperatuurini 150–300 °C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• Koos kloor(süütamisel või UV-kiirgusega kiiritamisel): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• Koos fluor: H20 +F2 = 2H +1 F
• Koos lämmastik(kuumutamisel katalüsaatorite juuresolekul või kõrgel rõhul): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Vesinik loovutab elektroni, mängides rolli oksüdeeriv aine, reaktsioonides aluseline Ja leelismuld metallid koos metallihüdriidide moodustumisega - soolataolised ioonühendid, mis sisaldavad hüdriidiioone H - need on ebastabiilsed valged kristalsed ained.

Ca+H2 = CaH2-1 2Na+H20 = 2NaH-1

Vesiniku oksüdatsiooniaste ei ole tüüpiline -1. Veega reageerimisel hüdriidid lagunevad, redutseerides vee vesinikuks. Kaltsiumhüdriidi reaktsioon veega on järgmine:

CaH2-1 +2H2+10 = 2H20 +Ca(OH)2

Vesiniku reaktsioonid keeruliste ainetega

• kõrgel temperatuuril redutseerib vesinik paljusid metallioksiide: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• metüülalkohol saadakse vesiniku reageerimisel süsinikmonooksiidiga (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• Hüdrogeenimisreaktsioonides reageerib vesinik paljude orgaaniliste ainetega.

Vesiniku ja selle ühendite keemiliste reaktsioonide võrrandeid käsitletakse üksikasjalikumalt lehel "Vesinik ja selle ühendid - vesinikku hõlmavate keemiliste reaktsioonide võrrandid".

Vesiniku rakendused

• tuumaenergeetikas kasutatakse vesiniku isotoope - deuteeriumi ja triitiumi;
• keemiatööstuses kasutatakse vesinikku paljude orgaaniliste ainete, ammoniaagi, vesinikkloriidi sünteesiks;
• toiduainetööstuses kasutatakse vesinikku tahkete rasvade tootmisel taimeõlide hüdrogeenimise teel;
• metallide keevitamiseks ja lõikamiseks kasutatakse vesiniku kõrget põlemistemperatuuri hapnikus (2600°C);
• osade metallide tootmisel kasutatakse redutseerijana vesinikku (vt eespool);
• kuna vesinik on kerge gaas, kasutatakse seda aeronautikas õhupallide, aerostaatide ja õhulaevade täiteainena;
• Süsinikoksiidiga segatud kütusena kasutatakse vesinikku.

Viimasel ajal on teadlased pööranud palju tähelepanu alternatiivsete taastuvenergia allikate otsimisele. Üheks perspektiivikaks valdkonnaks on “vesiniku” energia, milles kütusena kasutatakse vesinikku, mille põlemissaaduseks on tavaline vesi.

Vesiniku tootmise meetodid

Tööstuslikud meetodid vesiniku tootmiseks:

• metaani muundamine (veeauru katalüütiline redutseerimine) veeauruga kõrgel temperatuuril (800°C) nikkelkatalüsaatoril: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
• süsinikmonooksiidi muundamine veeauruga (t=500°C) Fe 2 O 3 katalüsaatoril: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
• metaani termiline lagunemine: CH 4 = C + 2H 2;
• tahkete kütuste gaasistamine (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• vee elektrolüüs (väga kallis meetod, mis toodab väga puhast vesinikku): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratoorsed meetodid vesiniku tootmiseks:

• mõju metallidele (tavaliselt tsink) vesinikkloriid- või lahjendatud väävelhappega: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2;
• veeauru vastastikmõju kuumade rauatükkidega: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.