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:
- Milline tahketest reaktsioonisaadustest lahustub vees?
- Mis värvi on kaaliumpermanganaadi lahus?
- 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.
Perioodilises tabelis paikneb vesinik kahes elementide rühmas, mis on oma omadustelt täiesti vastandlikud. See funktsioon muudab selle täiesti ainulaadseks. Vesinik ei ole ainult element või aine, vaid on ka paljude keerukate ühendite lahutamatu osa, organogeenne ja biogeenne element. Seetõttu vaatame selle omadusi ja omadusi üksikasjalikumalt.
Tuleohtlike gaaside eraldumist metallide ja hapete koosmõjul täheldati juba 16. sajandil ehk siis keemia kui teaduse kujunemise ajal. Kuulus inglise teadlane Henry Cavendish uuris ainet alates 1766. aastast ja andis sellele nimetuse "põlev õhk". Põlemisel tekkis sellest gaasist vett. Kahjuks takistas teadlase flogistoni (hüpoteetiline "ülipeene aine") teooria järgimine tal õigeid järeldusi tegemast.
Prantsuse keemik ja loodusteadlane A. Lavoisier sünteesis koos insener J. Meunier'ga ja spetsiaalsete gaasimeetrite abil 1783. aastal vett ning seejärel analüüsis seda veeauru lagundamisel kuuma rauaga. Seega suutsid teadlased teha õigeid järeldusi. Nad leidsid, et "põlev õhk" pole mitte ainult osa veest, vaid seda saab ka sellest saada.
Aastal 1787 väitis Lavoisier, et uuritav gaas on lihtne aine ja seega üks peamisi keemilisi elemente. Ta nimetas seda vesinikuks (kreeka sõnadest hydor - vesi + gennao - ma sünnitan), st "vee sünnitamine".
Venekeelse nimetuse “vesinik” pakkus 1824. aastal välja keemik M. Soloviev. Vee koostise määramine tähistas "flogistoniteooria" lõppu. 18. ja 19. sajandi vahetusel tehti kindlaks, et vesinikuaatom on väga kerge (võrreldes teiste elementide aatomitega) ja selle mass võeti aatommasside võrdlemisel põhiühikuks, saades väärtuseks 1.
Füüsikalised omadused
Vesinik on kõige kergem teadusele teadaolev aine (see on õhust 14,4 korda kergem), selle tihedus on 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). See materjal sulab (tahkestub) ja keeb (vedeldub) vastavalt temperatuuril -259,1 ° C ja -252,8 ° C (ainult heeliumil on madalam keemis- ja sulamistemperatuur).
Vesiniku kriitiline temperatuur on äärmiselt madal (-240 °C). Seetõttu on selle vedeldamine üsna keeruline ja kulukas protsess. Aine kriitiline rõhk on 12,8 kgf/cm² ja kriitiline tihedus 0,0312 g/cm³. Kõigist gaasidest on vesinikul kõrgeim soojusjuhtivus: 1 atm ja 0 °C juures võrdub see 0,174 W/(mxK).
Aine erisoojusmaht samadel tingimustel on 14,208 kJ/(kgxK) või 3,394 cal/(rx°C). See element lahustub vees vähe (umbes 0,0182 ml/g 1 atm ja 20 °C juures), kuid lahustub hästi enamikus metallides (Ni, Pt, Pa jt), eriti pallaadiumis (umbes 850 mahuosa Pd mahu kohta) .
Viimast omadust seostatakse selle hajutamisvõimega ja difusiooniga läbi süsinikusulami (näiteks terase) võib kaasneda sulami hävimine vesiniku ja süsiniku vastasmõju tõttu (seda protsessi nimetatakse dekarboniseerimiseks). Vedelas olekus on aine väga kerge (tihedus - 0,0708 g/cm³ temperatuuril t° = -253 °C) ja vedel (viskoossus - 13,8 spoisi samadel tingimustel).
Paljudes ühendites on selle elemendi valentsus +1 (oksüdatsiooniaste), nagu naatrium ja teised leelismetallid. Tavaliselt peetakse seda nende metallide analoogiks. Vastavalt sellele juhib ta perioodilise süsteemi I rühma. Metallhüdriidides on vesinikuioonil negatiivne laeng (oksüdatsiooniaste on -1), see tähendab, et Na+H- struktuur sarnaneb Na+Cl-kloriidiga. Vastavalt sellele ja mõnele muule faktile (elemendi "H" ja halogeenide füüsikaliste omaduste sarnasus, võime asendada see halogeenidega orgaanilistes ühendites) klassifitseeritakse vesinik perioodilise süsteemi VII rühma.
Normaalsetes tingimustes on molekulaarne vesinik madala aktiivsusega, kombineerides otseselt ainult kõige aktiivsemate mittemetallidega (fluori ja klooriga, viimasega valguses). Kuumutamisel interakteerub see omakorda paljude keemiliste elementidega.
Aatomi vesinikul on suurenenud keemiline aktiivsus (võrreldes molekulaarse vesinikuga). Hapnikuga moodustab see vett vastavalt valemile:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
vabastades 285,937 kJ/mol soojust või 68,3174 kcal/mol (25 °C, 1 atm). Normaalsetes temperatuuritingimustes kulgeb reaktsioon üsna aeglaselt ja temperatuuril t° >= 550 °C on see kontrollimatu. Vesiniku + hapniku segu plahvatuspiirid mahu järgi on 4–94% H2 ja vesinik + õhu segu 4–74% H2 (segu, mis koosneb kahest mahust H2 ja ühest mahust O2, nimetatakse detoneerivaks gaasiks).
Seda elementi kasutatakse enamiku metallide redutseerimiseks, kuna see eemaldab oksiididest hapnikku:
Fe3O4 + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H2O jne.
Vesinik moodustab erinevate halogeenidega vesinikhalogeniide, näiteks:
H2 + Cl2 = 2HCl.
Kuid fluoriga reageerides plahvatab vesinik (see juhtub ka pimedas, temperatuuril -252 ° C), broomi ja klooriga reageerib see ainult kuumutamisel või valgustamisel ning joodiga - ainult kuumutamisel. Lämmastikuga suhtlemisel tekib ammoniaak, kuid ainult katalüsaatoril, kõrgendatud rõhul ja temperatuuril:
ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.
Kuumutamisel reageerib vesinik aktiivselt väävliga:
H₂ + S = H2S (vesiniksulfiid),
ja palju keerulisem telluuri või seleeniga. Vesinik reageerib puhta süsinikuga ilma katalüsaatorita, kuid kõrgetel temperatuuridel:
2H2 + C (amorfne) = CH4 (metaan).
See aine reageerib otse mõne metalliga (leelis, leelismuld jt), moodustades hüdriide, näiteks:
H2 + 2Li = 2LiH.
Vesiniku ja süsinikmonooksiidi (II) vastastikmõjul on märkimisväärne praktiline tähtsus. Sel juhul tekivad sõltuvalt rõhust, temperatuurist ja katalüsaatorist erinevad orgaanilised ühendid: HCHO, CH₃OH jne. Küllastumata süsivesinikud reaktsiooni käigus küllastuvad, näiteks:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Vesinik ja selle ühendid mängivad keemias erakordset rolli. See määrab happelised omadused nn. protoonhapped, kipub moodustama erinevate elementidega vesiniksidemeid, millel on oluline mõju paljude anorgaaniliste ja orgaaniliste ühendite omadustele.
Vesiniku tootmine
Selle elemendi tööstuslikuks tootmiseks kasutatavad peamised tooraineliigid on nafta rafineerimisgaasid, looduslikud põlevad ja koksiahjugaasid. Seda saadakse ka veest elektrolüüsi teel (elektri olemasolu kohtades). Üks olulisemaid meetodeid maagaasist materjali tootmiseks on süsivesinike, peamiselt metaani katalüütiline interaktsioon veeauruga (nn konversioon). Näiteks:
CH4 + H2O = CO + ZN2.
Süsivesinike mittetäielik oksüdatsioon hapnikuga:
CH4 + 1/2O2 = CO + 2H2.
Sünteesitud süsinikmonooksiid (II) muundub:
CO + H2O = CO2 + H2.
Maagaasist toodetud vesinik on odavaim.
Vee elektrolüüsiks kasutatakse alalisvoolu, mis juhitakse läbi NaOH või KOH lahuse (seadmete korrosiooni vältimiseks happeid ei kasutata). Laboritingimustes saadakse materjal vee elektrolüüsil või vesinikkloriidhappe ja tsingi vahelise reaktsiooni tulemusena. Kuid sagedamini kasutatakse silindrites valmis tehasematerjali.
See element eraldatakse nafta rafineerimisgaasidest ja koksiahju gaasist, eemaldades kõik muud gaasisegu komponendid, kuna need vedelduvad sügaval jahutamisel kergemini.
Seda materjali hakati tööstuslikult hankima 18. sajandi lõpus. Siis kasutati seda õhupallide täitmiseks. Praegu kasutatakse vesinikku laialdaselt tööstuses, peamiselt keemiatööstuses, ammoniaagi tootmiseks.
Aine masstarbijad on metüül- ja muude alkoholide, sünteetilise bensiini ja paljude muude toodete tootjad. Neid saadakse süsinikmonooksiidi (II) ja vesiniku sünteesil. Vesinikku kasutatakse raskete ja tahkete vedelkütuste, rasvade jms hüdrogeenimisel, HCl sünteesil, naftasaaduste hüdrogeenimisel, samuti metalli lõikamisel/keevitamisel. Tuumaenergia kõige olulisemad elemendid on selle isotoobid – triitium ja deuteerium.
Vesiniku bioloogiline roll
Umbes 10% elusorganismide massist (keskmiselt) pärineb sellest elemendist. See on osa veest ja kõige olulisematest looduslike ühendite rühmadest, sealhulgas valgud, nukleiinhapped, lipiidid, süsivesikud. Milleks seda kasutatakse?
Sellel materjalil on otsustav roll: valkude ruumilise struktuuri säilitamisel (kvaternaarne), nukleiinhapete komplementaarsuse põhimõtte rakendamisel (s.o geneetilise teabe rakendamisel ja säilitamisel), üldiselt molekulaarsel "äratundmisel" tasemel.
Vesinikuioon H+ osaleb olulistes dünaamilistes reaktsioonides/protsessides kehas. Sealhulgas: bioloogilises oksüdatsioonis, mis varustab elusrakke energiaga, biosünteesireaktsioonides, fotosünteesis taimedes, bakteriaalses fotosünteesis ja lämmastiku sidumises, happe-aluse tasakaalu ja homöostaasi säilitamises, membraani transpordiprotsessides. Koos süsiniku ja hapnikuga moodustab see elunähtuste funktsionaalse ja struktuurse aluse.
10.1.Vesinik
Nimetus "vesinik" viitab nii keemilisele elemendile kui ka lihtsale ainele. Element vesinik koosneb vesinikuaatomitest. Lihtne aine vesinik koosneb vesiniku molekulidest.
a) Keemiline element vesinik
Looduslikus elementide reas on vesiniku järjekorranumber 1. Elementide süsteemis on vesinik esimesel perioodil IA või VIIA rühmas.
Vesinik on üks levinumaid elemente Maal. Vesinikuaatomite molaarosa Maa atmosfääris, hüdrosfääris ja litosfääris (koos nimetatakse seda maakooreks) on 0,17. Seda leidub vees, paljudes mineraalides, naftas, maagaasis, taimedes ja loomades. Keskmine inimkeha sisaldab umbes 7 kilogrammi vesinikku.
Vesinikul on kolm isotoopi:
a) kerge vesinik – protium,
b) raske vesinik – deuteerium(D),
c) üliraske vesinik – triitium(T).
Triitium on ebastabiilne (radioaktiivne) isotoop, mistõttu seda looduses praktiliselt ei leidu. Deuteerium on stabiilne, kuid seda on väga vähe: w D = 0,015% (kogu maapealse vesiniku massist). Seetõttu erineb vesiniku aatommass 1 Dn-st (1,00794 Dn) väga vähe.
b) Vesiniku aatom
Keemiakursuse eelmistest osadest teate juba järgmisi vesinikuaatomi omadusi:
Vesinikuaatomi valentsusvõime määrab ühe elektroni olemasolu ühel valentsorbitaalil. Kõrge ionisatsioonienergia muudab vesinikuaatomi mitte kalduvaks elektroni loobuma ja mitte liiga kõrge elektroni afiinsusenergia põhjustab kerget kalduvust elektroni vastu võtta. Järelikult on keemilistes süsteemides H-katiooni moodustumine võimatu ja H-aniooniga ühendid ei ole eriti stabiilsed. Seega moodustab vesinikuaatom ühe paaritu elektroni tõttu kõige tõenäolisemalt kovalentse sideme teiste aatomitega. Nii aniooni kui ka kovalentse sideme tekkimisel on vesinikuaatom monovalentne.
Lihtaines on vesinikuaatomite oksüdatsiooniaste null, enamikus ühendites on vesiniku oksüdatsiooniaste +I ja ainult kõige vähem elektronegatiivsete elementide hüdriidides on vesiniku oksüdatsiooniaste –I.
Teave vesinikuaatomi valentsusvõimete kohta on toodud tabelis 28. Ühe kovalentse sidemega mis tahes aatomiga seotud vesinikuaatomi valentsseisund on tabelis tähistatud sümboliga “H-”.
Tabel 28.Vesinikuaatomi valentsivõimalused
Valentsi olek |
Näited kemikaalidest |
|||
I |
HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH |
|||
NaH, KH, CaH 2, BaH 2 |
c) Vesiniku molekul
Kaheaatomiline vesiniku molekul H2 tekib siis, kui vesinikuaatomid on seotud ainsa nende jaoks võimaliku kovalentse sidemega. Ühendus moodustatakse vahetusmehhanismi abil. Vastavalt elektronpilvede kattumisele on tegemist s-sidemega (joonis 10.1 A). Kuna aatomid on samad, on side mittepolaarne.
Aatomitevaheline kaugus (täpsemalt tasakaaluline aatomitevaheline kaugus, sest aatomid vibreerivad) vesiniku molekulis r(H–H) = 0,74 A (joonis 10.1 V), mis on oluliselt väiksem kui orbiidi raadiuste summa (1,06 A). Järelikult kattuvad omavahel seotud aatomite elektronpilved sügavalt (joon. 10.1 b) ja side vesiniku molekulis on tugev. Sellele viitab ka sidumisenergia küllaltki kõrge väärtus (454 kJ/mol).
Kui iseloomustada molekuli kuju piirpinnaga (sarnaselt elektronipilve piirpinnaga), siis võib öelda, et vesiniku molekul on kergelt deformeerunud (pikliku) kuuli kujuga (joon. 10.1). G).
d) Vesinik (aine)
Normaaltingimustes on vesinik värvitu ja lõhnatu gaas. Väikestes kogustes on see mittetoksiline. Tahke vesinik sulab temperatuuril 14 K (–259 °C), vedel vesinik aga keeb temperatuuril 20 K (–253 °C). Madal sulamis- ja keemistemperatuur, väga väike temperatuurivahemik vedela vesiniku olemasoluks (ainult 6 °C), samuti väikesed sulamissoojuse (0,117 kJ/mol) ja aurustumissoojuse (0,903 kJ/mol) väärtused ) näitavad, et vesiniku molekulidevahelised sidemed on väga nõrgad.
Vesiniku tihedus r (H 2) \u003d (2 g / mol): (22,4 l / mol) \u003d 0,0893 g / l. Võrdluseks: keskmine õhutihedus on 1,29 g/l. See tähendab, et vesinik on 14,5 korda "kergem" kui õhk. See on vees praktiliselt lahustumatu.
Toatemperatuuril on vesinik mitteaktiivne, kuid kuumutamisel reageerib paljude ainetega. Nendes reaktsioonides võivad vesinikuaatomid oma oksüdatsiooniastet kas suurendada või vähendada: H2 + 2 e– = 2Н –I, Н 2 – 2 e– = 2Н +I.
Esimesel juhul on vesinik oksüdeeriv aine, näiteks reaktsioonides naatriumi või kaltsiumiga: 2Na + H2 = 2NaH, ( t) Ca + H 2 = CaH 2 . ( t)
Kuid redutseerivad omadused on vesinikule iseloomulikumad: O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( t)
Kuumutamisel oksüdeerub vesinik mitte ainult hapniku, vaid ka mõne muu mittemetalli, näiteks fluori, kloori, väävli ja isegi lämmastiku poolt.
Laboris tekib reaktsiooni tulemusena vesinik
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2.
Tsingi asemel võite kasutada rauda, alumiiniumi ja mõnda muud metalli ning väävelhappe asemel mõnda muud lahjendatud hapet. Saadud vesinik kogutakse katseklaasi, tõrjudes vett välja (vt joonis 10.2). b) või lihtsalt pöördkolbi (joonis 10.2 A).
Tööstuses toodetakse vesinikku suurtes kogustes maagaasist (peamiselt metaanist), pannes selle reageerima veeauruga 800 °C juures nikkelkatalüsaatori juuresolekul:
CH4 + 2H2O = 4H2 +CO2 ( t, Ni)
või töödelda kivisütt kõrgel temperatuuril veeauruga:
2H2O + C = 2H2 + CO2. ( t)
Puhas vesinik saadakse veest, lagundades seda elektrivooluga (elektrolüüsil):
2H20 = 2H2 + O2 (elektrolüüs).
e) Vesinikuühendid
Hüdriidid (vesinikku sisaldavad kahekomponentsed ühendid) jagunevad kahte põhitüüpi:
a) muutlik
(molekulaarsed) hüdriidid,
b) soolataolised (ioonsed) hüdriidid.
Rühmade IVA – VIIA elemendid ja boor moodustavad molekulaarseid hüdriide. Nendest on stabiilsed ainult mittemetalle moodustavate elementide hüdriidid:
B2H6, CH4; NH3; H2O; HF
SiH4;PH3; H2S; HCl
AsH3; H2Se; HBr
H2Te; TERE
Kõik need ühendid, välja arvatud vesi, on toatemperatuuril gaasilised ained, sellest ka nende nimetus "lenduvad hüdriidid".
Mõningaid mittemetalle moodustavaid elemente leidub ka keerukamates hüdriidides. Näiteks süsinik moodustab ühendeid üldvalemiga C n H 2 n+2, C n H 2 n, C n H 2 n–2 ja teised, kus n võib olla väga suur (neid ühendeid uuritakse orgaanilises keemias).
Ioonhüdriidide hulka kuuluvad leelis-, leelismuld-elementide ja magneesiumi hüdriidid. Nende hüdriidide kristallid koosnevad H anioonidest ja metallikatioonidest kõrgeima oksüdatsiooniastmega Me või Me 2 (olenevalt elemendisüsteemi rühmast).
| LiH | |
| NaH | MgH 2 |
| KH | CaH2 |
| RbH | SrH 2 |
| CsH | BaH 2 |
Nii ioonsed hüdriidid kui ka peaaegu kõik molekulaarsed hüdriidid (välja arvatud H 2 O ja HF) on redutseerivad ained, kuid ioonhüdriidide redutseerivad omadused on palju tugevamad kui molekulaarsetel.
Lisaks hüdriididele on vesinik osa hüdroksiididest ja mõnedest sooladest. Nende keerukamate vesinikuühendite omadustega saate tutvuda järgmistes peatükkides.
Tööstuses toodetava vesiniku peamised tarbijad on ammoniaagi ja lämmastikväetiste tootmise tehased, kus ammoniaaki saadakse otse lämmastikust ja vesinikust:
N2 +3H22NH3 ( R, t, Pt – katalüsaator).
Vesinikku kasutatakse suurtes kogustes metüülalkoholi (metanooli) tootmiseks reaktsioonil 2H 2 + CO = CH 3 OH ( t, ZnO – katalüsaator), samuti vesinikkloriidi tootmisel, mida saadakse otse kloorist ja vesinikust:
H2 + Cl2 = 2HCl.
Mõnikord kasutatakse vesinikku metallurgias redutseeriva ainena puhaste metallide tootmisel, näiteks: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
1. Millistest osakestest koosnevad a) protiumi, b) deuteeriumi, c) triitiumi tuumad?
2.Võrdle vesinikuaatomi ionisatsioonienergiat teiste elementide aatomite ionisatsioonienergiaga. Millisele elemendile on vesinik selle omaduse poolest kõige lähemal?
3. Tehke sama elektronide afiinsusenergia puhul
4. Võrrelge kovalentse sideme polarisatsioonisuunda ja vesiniku oksüdatsiooniastet ühendites: a) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; b) CH4, SiH4, GeH4.
5. Kirjutage üles vesiniku lihtsaim, molekulaarne, struktuurne ja ruumiline valem. Millist neist kasutatakse kõige sagedamini?
6. Sageli öeldakse: "Vesinik on õhust kergem." Mida see tähendab? Millistel juhtudel võib seda väljendit võtta sõna-sõnalt ja millistel mitte?
7. Koostage kaalium- ja kaltsiumhüdriidide, samuti ammoniaagi, vesiniksulfiidi ja vesinikbromiidi struktuurvalemid.
8. Teades vesiniku sulamis- ja aurustumissoojuseid, määrake vastavate konkreetsete koguste väärtused.
9. Looge elektrooniline tasakaal kõigi nelja reaktsiooni jaoks, mis illustreerivad vesiniku põhilisi keemilisi omadusi. Märgistage oksüdeerivad ja redutseerivad ained.
10. Määrake laborimeetodil tsingi mass, mis on vajalik 4,48 liitri vesiniku tootmiseks.
11. Määrake vesiniku mass ja maht, mida on võimalik saada 30 m 3 metaani ja veeauru segust mahusuhtes 1:2 saagisega 80%.
12. Koostage võrrandid reaktsioonide jaoks, mis toimuvad vesiniku interaktsioonil a) fluoriga, b) väävliga.
13. Allolevad reaktsiooniskeemid illustreerivad ioonhüdriidide põhilisi keemilisi omadusi:
a) MH + O 2 MOH ( t); b) MH + Cl2 MCl + HCl ( t);
c) MH + H20 MOH + H2; d) MH + HCl(p) MCl + H2
Siin on M liitium, naatrium, kaalium, rubiidium või tseesium. Kirjutage üles vastavate reaktsioonide võrrandid, kui M on naatrium. Näidake kaltsiumhüdriidi keemilisi omadusi reaktsioonivõrrandite abil.
14. Kasutades elektronide tasakaalu meetodit, looge võrrandid järgmiste reaktsioonide jaoks, mis illustreerivad mõnede molekulaarsete hüdriidide redutseerivaid omadusi:
a) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( t); b) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( t); c) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( t).
10.2 Hapnik
Nagu vesiniku puhul, on sõna "hapnik" nii keemilise elemendi kui ka lihtsa aine nimetus. Peale lihtsa asja" hapnik"(dihapnik) keemiline element hapnik moodustab teise lihtsa aine nimega " osoon"(trihapnik). Need on hapniku allotroopsed modifikatsioonid. Aine hapnik koosneb hapniku molekulidest O 2 ja aine osoon koosneb osooni molekulidest O 3 .
a) Keemiline element hapnik
Looduslikes elementide reas on hapniku järjekorranumber 8. Elementide süsteemis on hapnik VIA rühmas teises perioodis.
Hapnik on Maal kõige levinum element. Maakoores on iga teine aatom hapnikuaatom, see tähendab, et hapniku molaarosa Maa atmosfääris, hüdrosfääris ja litosfääris on umbes 50%. Hapnik (aine) on õhu komponent. Hapniku mahuosa õhus on 21%. Hapnikku (elementi) leidub vees, paljudes mineraalides ning taimedes ja loomades. Inimkeha sisaldab keskmiselt 43 kg hapnikku.
Looduslik hapnik koosneb kolmest isotoobist (16 O, 17 O ja 18 O), millest kõige levinum on kergeim isotoop 16 O. Seetõttu on hapniku aatommass lähedane 16 Dn-le (15,9994 Dn).
b) Hapnikuaatom
Te teate hapnikuaatomi järgmisi omadusi.
Tabel 29.Hapnikuaatomi valentsivõimalused
Valentsi olek |
Näited kemikaalidest |
|||
Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 * |
||||
–II |
H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 |
|||
NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 |
||||
Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3 |
* Neid oksiide võib pidada ka ioonühenditeks.
** Molekuli hapnikuaatomid ei ole selles valentsusolekus; see on lihtsalt näide ainest, mille hapnikuaatomite oksüdatsiooniaste on võrdne nulliga
Kõrge ionisatsioonienergia (nagu vesinikul) takistab lihtsa katiooni moodustumist hapnikuaatomist. Elektronide afiinsusenergia on üsna kõrge (peaaegu kaks korda suurem vesiniku omast), mis annab hapnikuaatomile suurema kalduvuse elektrone saada ja võime moodustada O 2A anioone. Kuid hapnikuaatomi elektronide afiinsusenergia on endiselt madalam kui halogeeniaatomite ja isegi teiste VIA rühma elementide oma. Seetõttu hapniku anioonid ( oksiidioonid) eksisteerivad ainult hapnikuühendites elementidega, mille aatomid loovutavad elektrone väga kergesti.
Kahe paaritu elektroni jagamisel võib hapnikuaatom moodustada kaks kovalentset sidet. Ergastamise võimatuse tõttu saavad kaks üksikut elektronide paari astuda ainult doonori-aktseptori interaktsiooni. Seega, ilma sidemete paljusust ja hübridisatsiooni arvesse võtmata, võib hapnikuaatom olla ühes viiest valentsolekust (tabel 29).
Hapnikuaatomi kõige tüüpilisem valentsseisund on W k = 2, st kahe kovalentse sideme moodustumine kahe paaritu elektroni tõttu.
Hapniku aatomi väga kõrge elektronegatiivsus (kõrgem ainult fluori puhul) toob kaasa asjaolu, et enamikus selle ühendites on hapniku oksüdatsiooniaste –II. On aineid, milles hapnikul on muud oksüdatsiooniastmed, mõned neist on toodud tabelis 29 näidetena ja võrdlev stabiilsus on näidatud joonisel fig. 10.3.
c) Hapniku molekul
Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et kaheaatomiline hapnikumolekul O 2 sisaldab kahte paaristamata elektroni. Valentssideme meetodit kasutades ei saa selle molekuli elektroonilist struktuuri seletada. Hapniku molekulis oleva sideme omadused on aga lähedased kovalentse sideme omadele. Hapniku molekul on mittepolaarne. Aatomitevaheline kaugus ( r o–o = 1,21 A = 121 nm) on väiksem kui üksiksidemega ühendatud aatomite vaheline kaugus. Molaarne sidumisenergia on üsna kõrge ja ulatub 498 kJ/mol.
d) hapnik (aine)
Normaaltingimustes on hapnik värvitu ja lõhnatu gaas. Tahke hapnik sulab temperatuuril 55 K (–218 °C) ja vedel hapnik keeb temperatuuril 90 K (–183 °C).
Molekulidevahelised sidemed tahkes ja vedelas hapnikus on mõnevõrra tugevamad kui vesinikus, mida tõendab vedela hapniku olemasolu suurem temperatuurivahemik (36 °C) ning suurem molaarne sulamissoojus (0,446 kJ/mol) ja aurustumissoojus (6,83 kJ). /mol).
Hapnik lahustub vees vähe: temperatuuril 0 °C lahustub 100 mahuosas vees (vedelikus!) vaid 5 mahuosa hapnikku (gaasi!).
Hapnikuaatomite suur kalduvus omandada elektrone ja kõrge elektronegatiivsus põhjustavad asjaolu, et hapnikul on ainult oksüdeerivad omadused. Need omadused ilmnevad eriti kõrgel temperatuuril.
Hapnik reageerib paljude metallidega: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( t);
mittemetallid: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10,
ja kompleksained: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2.
Kõige sagedamini saadakse selliste reaktsioonide tulemusena mitmesuguseid oksiide (vt II peatükk § 5), kuid aktiivsed leelismetallid, näiteks naatrium, muutuvad põletamisel peroksiidideks:
2Na + O 2 = Na 2 O 2.
Saadud naatriumperoksiidi struktuurvalem on (Na) 2 (O-O).
Hapnikusse asetatud hõõguv killuke lahvatab leeki. See on mugav ja lihtne viis puhta hapniku tuvastamiseks.
Tööstuses saadakse hapnikku õhust rektifikatsiooni (kompleks destilleerimise) teel ja laboris - teatud hapnikku sisaldavate ühendite termilise lagunemise teel, näiteks:
2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 (200 °C);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 °C, MnO 2 – katalüsaator);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 °C)
ja lisaks vesinikperoksiidi katalüütilise lagundamise teel toatemperatuuril: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 katalüsaator).
Puhast hapnikku kasutatakse tööstuses nende protsesside intensiivistamiseks, mille käigus toimub oksüdatsioon, ja kõrge temperatuuriga leegi tekitamiseks. Raketitehnoloogias kasutatakse oksüdeerijana vedelat hapnikku.
Hapnikul on suur tähtsus taimede, loomade ja inimeste elutegevuse säilitamisel. Tavatingimustes on inimesel õhus piisavalt hapnikku, et hingata. Kuid tingimustes, kus õhku napib või pole üldse (lennukites, sukeldumistöödel, kosmoselaevadel jne), valmistatakse hingamiseks spetsiaalsed hapnikku sisaldavad gaasisegud. Hapnikku kasutatakse meditsiinis ka haiguste puhul, mis põhjustavad hingamisraskusi.
e) Osoon ja selle molekulid
Osoon O 3 on hapniku teine allotroopne modifikatsioon.
Kolmeaatomilisel osoonimolekulil on nurgastruktuur kahe struktuuri vahel, mis on esitatud järgmiste valemitega:
Osoon on terava lõhnaga tumesinine gaas. Tugeva oksüdeeriva toime tõttu on see mürgine. Osoon on poolteist korda "raskem" kui hapnik ja lahustub vees veidi paremini kui hapnik.
Osoon tekib atmosfääris hapnikust välgu elektrilahenduste käigus:
3O 2 \u003d 2O 3 ().
Normaaltemperatuuril muutub osoon aeglaselt hapnikuks ja kuumutamisel toimub see protsess plahvatuslikult.
Osoon sisaldub maakera atmosfääri niinimetatud "osoonikihis", kaitstes kogu elu Maal päikesekiirguse kahjulike mõjude eest.
Mõnes linnas kasutatakse joogivee desinfitseerimiseks (desinfitseerimiseks) kloori asemel osooni.
Joonistage järgmiste ainete struktuurivalemid: OF 2, H 2 O, H 2 O 2, H 3 PO 4, (H 3 O) 2 SO 4, BaO, BaO 2, Ba(OH) 2. Nimetage need ained. Kirjeldage hapnikuaatomite valentsolekuid nendes ühendites.
Määrake iga hapnikuaatomi valents ja oksüdatsiooniaste.
2. Koostage võrrandid liitiumi, magneesiumi, alumiiniumi, räni, punase fosfori ja seleeni põlemisreaktsioonide kohta hapnikus (seleeniaatomid oksüdeeritakse oksüdatsiooniastmeni +IV, teiste elementide aatomid oksüdeeritakse kõrgeima oksüdatsiooniastmeni). Millistesse oksiidide klassidesse nende reaktsioonide produktid kuuluvad?
3. Mitu liitrit osooni saab (normaalsetes tingimustes) a) 9 liitrist hapnikust, b) 8 g hapnikust?
Vesi on maakoores kõige rikkalikum aine. Maa vee massiks hinnatakse 10 18 tonni. Vesi on meie planeedi hüdrosfääri alus, lisaks sisaldub see atmosfääris, moodustab jää kujul Maa polaarmütsid ja kõrgmäestiku liustikud ning on ka osa erinevatest kivimitest. Vee massiosa inimkehas on umbes 70%.
Vesi on ainus aine, millel on kõigis kolmes koondumisolekus oma erinimetused.
Veemolekuli elektrooniline struktuur (joonis 10.4 A) uurisime üksikasjalikult varem (vt § 7.10).
O-H sidemete polaarsuse ja nurgakuju tõttu on vee molekul elektriline dipool.
Elektrilise dipooli polaarsuse iseloomustamiseks kasutatakse füüsikalist suurust, mida nimetatakse " elektrilise dipooli elektrimoment" või lihtsalt" dipoolmoment".
Keemias mõõdetakse dipoolmomenti debüüdes: 1 D = 3,34. 10-30 C. m
Veemolekulis on kaks polaarset kovalentset sidet, st kaks elektrilist dipooli, millest igaühel on oma dipoolmoment ( ja ). Molekuli summaarne dipoolmoment on võrdne nende kahe momendi vektorsummaga (joonis 10.5):
(H20) = 
,
Kus q 1 ja q 2 – vesinikuaatomite osalaengud (+) ja – aatomitevahelised O – H kaugused molekulis. Sest q 1 = q 2 = q, a , siis
Veemolekuli ja mõnede teiste molekulide katseliselt määratud dipoolmomendid on toodud tabelis.
Tabel 30Mõnede polaarsete molekulide dipoolmomendid
Molekul |
Molekul |
Molekul |
|||
Arvestades veemolekuli dipoolsust, on see sageli skemaatiliselt kujutatud järgmiselt:
Puhas vesi on värvitu vedelik, millel pole maitset ega lõhna. Mõned vee põhilised füüsikalised omadused on toodud tabelis.
Tabel 31Mõned vee füüsikalised omadused
Sulamis- ja aurustumissoojuse suured väärtused (suurusjärgu võrra suuremad kui vesiniku ja hapniku omad) näitavad, et veemolekulid nii tahkes kui ka vedelas aines on omavahel üsna tihedalt seotud. Neid ühendusi nimetatakse " vesiniksidemed".
ELEKTRIDIPUOL, DIPUOLMOMENT, SIDEME POLAARSUS, MOLEKULI POLAARSUS.
Mitu hapnikuaatomi valentselektroni osaleb sidemete moodustumisel veemolekulis?
2. Kui millised orbitaalid kattuvad, tekivad veemolekulis sidemed vesiniku ja hapniku vahel?
3.Koostage vesinikperoksiidi H 2 O 2 molekulis sidemete tekkimise diagramm. Mida saate öelda selle molekuli ruumilise struktuuri kohta?
4. Aatomitevahelised kaugused HF, HCl ja HBr molekulides on vastavalt 0,92; 1,28 ja 1,41. Arvutage ja võrrelge nendes molekulides olevate vesinikuaatomite osalaenguid dipoolmomentide tabeli abil.
5. Aatomitevahelised kaugused S – H vesiniksulfiidi molekulis on 1,34 ja sidemete vaheline nurk on 92°. Määrake väävli- ja vesinikuaatomite osalaengute väärtused. Mida saate öelda väävliaatomi valentsorbitaalide hübridisatsiooni kohta?
10.4. vesinikside
Nagu te juba teate, omandab vesiniku ja hapniku elektronegatiivsuse olulise erinevuse tõttu (2,10 ja 3,50) veemolekuli vesinikuaatom suure positiivse osalaengu ( q h = 0,33 e) ja hapnikuaatomil on veelgi suurem negatiivne osalaeng ( q h = –0,66 e). Tuletage meelde ka seda, et hapnikuaatomil on kaks üksikut elektronide paari sp 3-hübriid AO. Ühe veemolekuli vesinikuaatom tõmbub teise molekuli hapnikuaatomi poole ja lisaks võtab vesinikuaatomi pooltühi 1s-AO osaliselt vastu hapnikuaatomi elektronpaari. Nende molekulidevaheliste interaktsioonide tulemusena tekib eritüüpi molekulidevaheline side - vesinikside.
Vee puhul võib vesiniksideme teket skemaatiliselt kujutada järgmiselt:
Viimases struktuurivalemis tähistavad kolm punkti (punktiirjoon, mitte elektronid!) vesiniksidet.
Vesiniksidemed ei eksisteeri mitte ainult veemolekulide vahel. See moodustub, kui on täidetud kaks tingimust:
1) molekulil on väga polaarne H-E side (E on üsna elektronegatiivse elemendi aatomi sümbol),
2) molekul sisaldab suure negatiivse osalaenguga E-aatomit ja üksikut elektronide paari.
Element E võib olla fluor, hapnik ja lämmastik. Vesiniksidemed on oluliselt nõrgemad, kui E on kloor või väävel.
Näited ainetest, millel on molekulide vahel vesiniksidemed: vesinikfluoriid, tahke või vedel ammoniaak, etüülalkohol ja paljud teised.
Vedelas vesinikfluoriidis on selle molekulid vesiniksidemetega seotud üsna pikkadeks ahelateks ning vedelas ja tahkes ammoniaagis tekivad ruumilised võrgud.
Tugevuse poolest on vesinikside keemilise sideme ja muud tüüpi molekulidevaheliste sidemete vahepealne. Vesiniksideme molaarenergia jääb tavaliselt vahemikku 5–50 kJ/mol.
Tahkes vees (st jääkristallides) on kõik vesinikuaatomid vesinikuga seotud hapnikuaatomitega, kusjuures iga hapnikuaatom moodustab kaks vesiniksidet (kasutades mõlemat üksikut elektronpaari). Selline struktuur muudab jää "lahtimaks" võrreldes vedela veega, kus osa vesiniksidemeid on katkenud ja molekulid suudavad veidi tihedamalt "pakkida". See jää struktuuri omadus selgitab, miks erinevalt enamikust teistest ainetest on tahkes olekus vee tihedus väiksem kui vedelas olekus. Maksimaalse tiheduse saavutab vesi 4 °C juures – sellel temperatuuril katkeb päris palju vesiniksidemeid ning soojuspaisumine ei mõjuta tihedust veel väga tugevalt.
Vesiniksidemed on meie elus väga olulised. Kujutagem korraks ette, et vesiniksidemed on lakanud tekkimast. Siin on mõned tagajärjed:
- vesi muutuks toatemperatuuril gaasiliseks, kuna selle keemistemperatuur langeks umbes -80 °C-ni;
- kõik veekogud hakkaksid põhjast külmuma, kuna jää tihedus oleks suurem kui vedela vee tihedus;
- DNA kaksikheeliks ja palju muud lakkaksid eksisteerimast.
Toodud näidetest piisab, et mõista, et sel juhul muutuks loodus meie planeedil täiesti teistsuguseks.
VESINIKSIDEM, SELLE TEKKE TINGIMUSED.
Etüülalkoholi valem on CH 3 – CH 2 – O – H. Milliste selle aine erinevate molekulide aatomite vahel moodustuvad vesiniksidemed? Koostage nende teket illustreerivad struktuurivalemid.
2. Vesiniksidemed ei eksisteeri mitte ainult üksikutes ainetes, vaid ka lahustes. Näidake struktuurvalemite abil, kuidas tekivad vesiniksidemed a) ammoniaagi, b) vesinikfluoriidi, c) etanooli (etüülalkoholi) vesilahuses. = 2H20.
Mõlemad reaktsioonid toimuvad vees pidevalt ja sama kiirusega, seetõttu on vees tasakaal: 2H 2 O AN 3 O + OH.
Seda tasakaalu nimetatakse autoprotolüüsi tasakaal vesi.
Selle pöörduva protsessi otsene reaktsioon on endotermiline, seetõttu kuumutamisel autoprotolüüs suureneb, kuid toatemperatuuril nihkub tasakaal vasakule, see tähendab, et H 3 O ja OH ioonide kontsentratsioon on tühine. Millega nad on võrdsed?
Massitegevuse seaduse järgi
Kuid kuna reageerinud veemolekulide arv on veemolekulide koguarvuga võrreldes ebaoluline, võime eeldada, et vee kontsentratsioon autoprotolüüsi ajal praktiliselt ei muutu ja 2 = const Nii väike vastaslaenguga ioonide kontsentratsioon puhtas vees seletab, miks see vedelik, kuigi halvasti, siiski juhib elektrivoolu.
VEE AUTOPROTOLÜÜS, VEE AUTOPROTOLÜÜSI KONSTANT (IOONNE TOODE).
Vedela ammoniaagi ioonprodukt (keemistemperatuur -33 °C) on 2 10 -28. Kirjutage ammoniaagi autoprotolüüsi võrrand. Määrake ammooniumiioonide kontsentratsioon puhtas vedelas ammoniaagis. Kumma aine elektrijuhtivus on suurem, kas vee või vedela ammoniaagi?
1. Vesiniku tootmine ja selle põletamine (redutseerivad omadused).
2. Hapniku saamine ja ainete põletamine selles (oksüdeerivad omadused).
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 oluliselt selle vibratsiooni (infrapuna) spektrit, mis võimaldab määrata keerukate molekulide struktuuri. Sarnaseid asendusi ("märgistatud aatomi meetod") kasutatakse ka kompleksi mehhanismide kindlaksmääramiseks
keemilised ja biokeemilised protsessid. Märgistatud aatomite meetod on eriti tundlik, kui protiumi asemel kasutatakse radioaktiivset triitiumi (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 aatomvesinikku kõrgtemperatuurse redutseeriva "leegi" ("Langmuiri põleti") tootmiseks. Elektrikaares olev vesinikujuga pihustatakse 35 000 C juures 30%, siis on aatomite rekombinatsiooniga 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 mööda Thamesi (Thamesis) sõita. Paat liikus vee all tänu tosina sõudja pingutustele. Arvukate pealtnägijate sõnul lahendas allveelaeva leiutaja hingamisprobleemi edukalt, "värskendades" selles olevat õhku keemiliste vahenditega. Robert Boyle kirjutas 1661. aastal: „... Lisaks paadi mehaanilisele konstruktsioonile oli leiutaja käsutuses keemiline lahus (liköör), mille ta
peetakse sukeldumise peamiseks saladuseks. Ja kui ta aeg-ajalt veendus, et hingav õhuosa on juba ära kasutatud ja paadis viibivatel inimestel oli raske hingata, võis ta selle lahusega täidetud anuma avades kiiresti õhku täiendada. selline elutähtsate osade sisaldus, mis muudaks selle taas piisavalt pikaks ajaks hingamiskõlblikuks.
Rahulikus olekus terve inimene pumpab ööpäevas läbi kopsude umbes 7200 liitrit õhku, võttes pöördumatult 720 liitrit hapnikku. Kinnises ruumis, mille maht on 6 m3, suudab inimene ilma ventilatsioonita toime tulla kuni 12 tundi, füüsilisel tööl 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. mai 1987, Energia esimene start, 15. november 1988, Burani 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.
Vesinik H on universumis kõige levinum element (umbes 75 massiprotsenti) ja Maal on see arvukuse poolest üheksas. Kõige olulisem looduslik vesinikuühend on vesi.
Vesinik on perioodilisuse tabelis esimesel kohal (Z = 1). Sellel on kõige lihtsam aatomistruktuur: aatomi tuum on 1 prooton, mida ümbritseb 1 elektronist koosnev elektronpilv.
Mõnel juhul on vesinikul metallilised omadused (loovutab elektroni), teistes aga mittemetallilised omadused (aktsepteerib elektroni).
Looduses leiduvad vesiniku isotoobid: 1H - prootium (tuum koosneb ühest prootonist), 2H - deuteerium (D - tuum koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist), 3H - triitium (T - tuum koosneb ühest prootonist ja kahest neutronid).
Lihtne aine vesinik
Vesiniku molekul koosneb kahest aatomist, mis on omavahel ühendatud kovalentse mittepolaarse sidemega.
Füüsikalised omadused. Vesinik on värvitu, lõhnatu, maitsetu ja mittetoksiline gaas. Vesiniku molekul ei ole polaarne. Seetõttu on gaasilises vesinikus molekulidevahelise interaktsiooni jõud väikesed. See väljendub madalates keemistemperatuurides (-252,6 0C) ja sulamistemperatuurides (-259,2 0C).
Vesinik on õhust kergem, D (õhuga) = 0,069; vees vähe lahustuv (2 mahuosa H2 lahustub 100 mahus H2O). Seetõttu saab laboris toodetud vesinikku koguda õhu või vee väljatõrjumise meetodil.
Vesiniku tootmine
Laboris:
1. Lahjendatud hapete mõju metallidele:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2
2. Leelis- ja põhimetallide koostoime veega:
Ca +2H2O → Ca(OH)2 +H2
3. Hüdriidide hüdrolüüs: metallhüdriidid lagunevad kergesti vee toimel, moodustades vastava leelise ja vesiniku:
NaH +H2O → NaOH +H2
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2
4. Leeliste mõju tsingile, alumiiniumile või ränile:
2Al +2NaOH +6H2O → 2Na +3H2
Zn +2KOH +2H2O → K2 +H2
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H 2
5. Vee elektrolüüs. Vee elektrijuhtivuse suurendamiseks lisatakse sellele elektrolüüti, näiteks NaOH, H 2 SO 4 või Na 2 SO 4. Katoodil moodustub 2 mahuosa vesinikku ja anoodil 1 mahuosa hapnikku.
2H2O → 2H2+O2
Vesiniku tööstuslik tootmine
1. Metaani muundamine auruga, Ni 800 °C (odavaim):
CH4 + H2O → CO + 3H2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Kokku:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. Veeaur läbi kuuma koksi 1000 o C juures:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Saadud süsinikmonooksiidi (IV) neelab vesi ja sel viisil toodetakse 50% tööstuslikust vesinikust.
3. Kuumutades metaani raud- või nikkelkatalüsaatori juuresolekul temperatuurini 350 °C:
CH4 → C + 2H 2
4. KCl või NaCl kui kõrvalsaaduse vesilahuste elektrolüüs:
2H2O + 2NaCl → Cl2 + H2 + 2NaOH
Vesiniku keemilised omadused
- Ühendites on vesinik alati ühevalentne. Seda iseloomustab oksüdatsiooniaste +1, kuid metallhüdriidides võrdub see -1-ga.
- Vesiniku molekul koosneb kahest aatomist. Ühenduse tekkimine nende vahel on seletatav üldistatud elektronpaari H:H või H 2 moodustumisega.
- Tänu sellele elektronide üldistusele on H 2 molekul energeetiliselt stabiilsem kui selle üksikud aatomid. 1 mooli vesiniku molekulide aatomiteks purustamiseks on vaja kulutada 436 kJ energiat: H 2 = 2H, ∆H° = 436 kJ/mol
- See seletab molekulaarse vesiniku suhteliselt madalat aktiivsust tavatemperatuuridel.
- Paljude mittemetallide puhul moodustab vesinik gaasilisi ühendeid nagu RH 4, RH 3, RH 2, RH.
1) Moodustab halogeenidega vesinikhalogeniide:
H2 + Cl2 → 2HCl.
Samal ajal plahvatab see fluoriga, reageerib kloori ja broomiga ainult valgustamisel või kuumutamisel ning joodiga ainult kuumutamisel.
2) hapnikuga:
2H2 + O2 → 2H2O
soojuse vabastamisega. Normaaltemperatuuril kulgeb reaktsioon aeglaselt, üle 550°C see plahvatab. 2 mahuosa H 2 ja 1 mahuosa O 2 segu nimetatakse detoneerivaks gaasiks.
3) Kuumutamisel reageerib see jõuliselt väävliga (palju raskem seleeni ja telluuriga):
H 2 + S → H 2 S (vesiniksulfiid),
4) Lämmastikuga ammoniaagi moodustumisega ainult katalüsaatoril ja kõrgendatud temperatuuridel ja rõhul:
ZN2 + N2 → 2NH3
5) süsinikuga kõrgel temperatuuril:
2H2 + C → CH4 (metaan)
6) Moodustab leelis- ja leelismuldmetallidega hüdriide (vesinik on oksüdeerija):
H2 + 2Li → 2LiH
metallihüdriidides on vesinikuioon negatiivselt laetud (oksüdatsiooniaste -1), see tähendab Na + H hüdriid - ehitatud sarnaselt Na + Cl kloriidiga -
Komplekssete ainetega:
7) Metalloksiididega (kasutatakse metallide redutseerimiseks):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O
8) süsinikmonooksiidiga (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Süntees - gaas (vesiniku ja süsinikmonooksiidi segu) on olulise praktilise tähtsusega, kuna sõltuvalt temperatuurist, rõhust ja katalüsaatorist tekivad erinevad orgaanilised ühendid, näiteks HCHO, CH 3 OH jt.
9) Küllastumata süsivesinikud reageerivad vesinikuga, muutudes küllastunud:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
