Darsning maqsadi. Ushbu darsda siz er yuzidagi hayot uchun, ehtimol, eng muhim kimyoviy elementlar - vodorod va kislorod haqida bilib olasiz, ularning kimyoviy xossalari, shuningdek ular hosil qiladigan oddiy moddalarning fizik xossalari haqida bilib olasiz, kislorod va kislorodning roli haqida ko'proq bilib olasiz. vodorod tabiatda va inson hayotida.
Vodorod koinotdagi eng keng tarqalgan element hisoblanadi. Kislorod yer yuzidagi eng keng tarqalgan element hisoblanadi. Ular birgalikda inson tanasi massasining yarmidan ko'pini tashkil etadigan suvni hosil qiladi. Kislorod - bu nafas olishimiz kerak bo'lgan gaz va suvsiz biz bir necha kun ham yashay olmadik, shuning uchun kislorod va vodorodni hayot uchun zarur bo'lgan eng muhim kimyoviy elementlar deb hisoblash mumkin.
Vodorod va kislorod atomlarining tuzilishi
Shunday qilib, vodorod metall bo'lmagan xususiyatlarni namoyon qiladi. Tabiatda vodorod uchta izotop, protiy, deyteriy va tritiy shaklida uchraydi, vodorod izotoplari bir-biridan fizik xossalari jihatidan juda farq qiladi, shuning uchun ularga hatto individual belgilar ham beriladi.
Agar siz izotoplar nima ekanligini eslamasangiz yoki bilmasangiz, "Izotoplar bir kimyoviy element atomlarining navlari sifatida" elektron o'quv resursi materiallari bilan ishlang. Unda siz bir elementning izotoplari bir-biridan qanday farq qilishini, bir elementda bir nechta izotoplarning mavjudligi nimaga olib kelishini bilib olasiz, shuningdek, bir nechta elementlarning izotoplari bilan tanishasiz.
Shunday qilib, kislorodning mumkin bo'lgan oksidlanish darajalari -2 dan +2 gacha bo'lgan qiymatlar bilan cheklangan. Agar kislorod ikkita elektronni qabul qilsa (anionga aylansa) yoki kamroq elektronegativ elementlarga ega ikkita kovalent bog'lanish hosil qilsa, u -2 oksidlanish holatiga o'tadi. Agar kislorod boshqa kislorod atomi bilan, ikkinchisi esa kamroq elektron manfiy element atomi bilan bitta aloqa hosil qilsa, u -1 oksidlanish holatiga o'tadi. Ftor bilan ikkita kovalent bog'lanish (elektron manfiylik qiymati yuqori bo'lgan yagona element) hosil qilish orqali kislorod +2 oksidlanish holatiga o'tadi. Bir aloqani boshqa kislorod atomi bilan, ikkinchisini esa ftor atomi bilan hosil qilish - +1. Nihoyat, agar kislorod kamroq elektron manfiy atom bilan bitta bog'ni va ftor bilan ikkinchi bog'ni hosil qilsa, u 0 oksidlanish holatida bo'ladi.
Vodorod va kislorodning fizik xossalari, kislorodning allotropiyasi
Vodorod- ta'mi va hidi bo'lmagan rangsiz gaz. Juda engil (havodan 14,5 baravar engil). Vodorodni suyultirish harorati -252,8 ° C - barcha gazlar orasida deyarli eng past (geliydan keyin ikkinchi). Suyuq va qattiq vodorod juda yengil, rangsiz moddalardir.
Kislorod Bu rangsiz, hidsiz, ta'msiz, havodan biroz og'irroq gazdir. -182,9 °C da u og'ir ko'k suyuqlikka aylanadi, -218 ° C da ko'k kristallar hosil bo'lishi bilan qotib qoladi. Kislorod molekulalari paramagnitdir, ya'ni kislorod magnitga tortiladi. Kislorod suvda yomon eriydi.
Faqat bitta turdagi molekulalarni hosil qiluvchi vodoroddan farqli o'laroq, kislorod allotropiyani namoyon qiladi va ikki turdagi molekulalarni hosil qiladi, ya'ni kislorod elementi ikkita oddiy moddani: kislorod va ozonni hosil qiladi.
Kimyoviy xossalari va oddiy moddalarni olish
Vodorod.
Vodorod molekulasidagi bog'lanish yagona, lekin u tabiatdagi eng kuchli yagona bog'lardan biri bo'lib, uni buzish uchun ko'p energiya talab etiladi, shuning uchun vodorod xona haroratida juda faol emas, ammo harorat ko'tarilganda ( yoki katalizator ishtirokida), vodorod ko'plab oddiy va murakkab moddalar bilan osongina o'zaro ta'sir qiladi.
Vodorod kimyoviy nuqtai nazardan odatiy bo'lmagan metalldir. Ya'ni, u faol metallar bilan o'zaro ta'sir qilishda gidridlarni hosil qiladi, bunda u -1 oksidlanish darajasini ko'rsatadi. Ba'zi metallar (litiy, kaltsiy) bilan o'zaro ta'sir hatto xona haroratida ham davom etadi, lekin juda sekin, shuning uchun gidridlarni sintez qilishda isitish qo'llaniladi:
,
.
Oddiy moddalarning to'g'ridan-to'g'ri o'zaro ta'sirida gidridlarning hosil bo'lishi faqat faol metallar uchun mumkin. Alyuminiy vodorod bilan to'g'ridan-to'g'ri ta'sir qilmaydi, uning gidridi almashinuv reaktsiyalari orqali olinadi.
Vodorod ham faqat qizdirilganda metall bo'lmaganlar bilan reaksiyaga kirishadi. Istisnolar xlor va brom galogenlari bo'lib, ular bilan reaktsiya yorug'lik bilan qo'zg'atilishi mumkin:
.
Ftor bilan reaktsiya ham isitishni talab qilmaydi, u kuchli sovutish va mutlaq qorong'ulikda ham portlash bilan davom etadi.
Kislorod bilan reaktsiya tarmoqlangan zanjir mexanizmi bo'yicha davom etadi, shuning uchun reaktsiya tezligi tez o'sib boradi va kislorod va vodorod aralashmasida 1: 2 nisbatda reaktsiya portlash bilan davom etadi (bunday aralashma "portlovchi gaz" deb ataladi. "):
.
Oltingugurt bilan reaksiya ancha sokinroq, kam yoki umuman issiqlik chiqarilmaydi:
.
Azot va yod bilan reaksiyalar teskari tarzda davom etadi:
,
.
Bu holat sanoatda ammiak ishlab chiqarishni ancha murakkablashtiradi: jarayon ammiak hosil bo'lish yo'nalishi bo'yicha muvozanatni aralashtirish uchun yuqori bosimdan foydalanishni talab qiladi. Vodorod yodi to'g'ridan-to'g'ri sintez yo'li bilan olinmaydi, chunki uni sintez qilishning bir qancha qulay usullari mavjud.
Vodorod past faol metall bo'lmaganlar bilan bevosita reaksiyaga kirishmaydi (), garchi uning ular bilan birikmalari ma'lum.
Murakkab moddalar bilan reaktsiyalarda vodorod ko'p hollarda qaytaruvchi vosita sifatida ishlaydi. Eritmalarda vodorod past faol metallarni (kuchlanishlar qatorida vodoroddan keyin joylashgan) ularning tuzlaridan kamaytirishi mumkin:
Qizdirilganda vodorod ko'plab metallarni oksidlaridan kamaytirishi mumkin. Bundan tashqari, metall qanchalik faol bo'lsa, uni tiklash shunchalik qiyin bo'ladi va buning uchun talab qilinadigan harorat shunchalik yuqori bo'ladi:
.
Sinkdan faolroq metallarni vodorod bilan kamaytirish deyarli mumkin emas.
Vodorod laboratoriya sharoitida metallarning kuchli kislotalar bilan reaksiyaga kirishishi natijasida hosil boʻladi. Eng ko'p ishlatiladigan sink va xlorid kislotasi:
Kuchli elektrolitlar ishtirokida suvning kamroq qo'llaniladigan elektrolizi:
Sanoatda vodorod natriy xlorid eritmasini elektroliz qilish yo'li bilan kaustik soda ishlab chiqarishda qo'shimcha mahsulot sifatida ishlab chiqariladi:
Bundan tashqari, neftni qayta ishlash jarayonida vodorod olinadi.
Suvning fotolizi orqali vodorod olish kelajakdagi eng istiqbolli usullardan biri hisoblanadi, ammo hozirgi vaqtda ushbu usulni sanoatda qo'llash qiyin.
Elektron o`quv resurslari materiallari bilan ishlash “Vodorodning olinishi va xossalari” laboratoriya ishi va “Vodorodning qaytarilish xossalari” laboratoriya ishi. Kipp apparati va Kiryushkin apparatining ishlash printsipini bilib oling. Qaysi hollarda Kipp apparatidan foydalanish qulayroq va qaysi biri - Kiryushkinni o'ylab ko'ring. Vodorod reaksiyalarda qanday xossalarni namoyon qiladi?
Kislorod.
Kislorod molekulasidagi bog'lanish ikki tomonlama va juda kuchli. Shuning uchun xona haroratida kislorod ancha faol emas. Biroq qizdirilganda u kuchli oksidlovchi xususiyatlarni namoyon qila boshlaydi.
Kislorod faol metallar (ishqoriy, ishqoriy tuproq va ba'zi lantanidlar) bilan qizdirmasdan reaksiyaga kirishadi:
Qizdirilganda kislorod ko'pchilik metallar bilan reaksiyaga kirishib, oksidlarni hosil qiladi:
,
,
.
Kumush va kamroq faol metallar kislorod bilan oksidlanmaydi.
Kislorod, shuningdek, oksidlarni hosil qilish uchun ko'pgina metall bo'lmaganlar bilan reaksiyaga kirishadi:
,
,
.
Azot bilan o'zaro ta'sir faqat juda yuqori haroratlarda, 2000 ° C atrofida sodir bo'ladi.
Kislorod xlor, brom va yod bilan reaksiyaga kirishmaydi, garchi ularning ko'pgina oksidlarini bilvosita olish mumkin.
Kislorodning ftor bilan o'zaro ta'siri gazlar aralashmasidan elektr zaryadini o'tkazish orqali amalga oshirilishi mumkin:
.
Kislorod (II) ftorid beqaror birikma, oson parchalanadi va juda kuchli oksidlovchi vositadir.
Eritmalarda kislorod sekin bo'lsada kuchli oksidlovchi moddadir. Qoidaga ko'ra, kislorod metallarning yuqori oksidlanish darajasiga o'tishiga yordam beradi:
Kislorodning mavjudligi ko'pincha kuchlanish seriyasida vodoroddan keyin joylashgan metallarni kislotalarda eritishga imkon beradi:
Qizdirilganda kislorod quyi metall oksidlarini oksidlashi mumkin:
.
Kislorod sanoatda kimyoviy yo'l bilan olinmaydi, u havodan distillash yo'li bilan olinadi.
Laboratoriyada qizdirilganda kislorodga boy birikmalar - nitratlar, xloratlar, permanganatlarning parchalanish reaktsiyalari qo'llaniladi:
Shuningdek, siz kislorodni vodorod periksni katalitik parchalash orqali olishingiz mumkin:
Bundan tashqari, yuqoridagi suv elektroliz reaktsiyasi kislorod ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin.
Elektron o'quv resurs materiallari bilan ishlash "Kislorodning olinishi va uning xossalari" laboratoriya ishi.
Laboratoriya ishlarida qo'llaniladigan kislorod yig'ish usuli qanday nomlanadi? Gazlarni yig'ishning yana qanday usullari mavjud va qaysi biri kislorodni to'plash uchun mos keladi?
Vazifa 1. “Isitganda kaliy permanganatning parchalanishi” videoklipini tomosha qiling.
Savollarga javob bering:
- Reaksiyaning qattiq mahsulotlaridan qaysi biri suvda eriydi?
- Kaliy permanganat eritmasi qanday rangda?
- Kaliy manganat eritmasining rangi qanday?
Davom etayotgan reaksiyalar tenglamalarini yozing. Elektron balans usuli yordamida ularni tenglashtiring.
Vazifani o'qituvchi bilan video xonada yoki xonada muhokama qiling.
Ozon.
Ozon molekulasi uch atomli bo'lib, undagi bog'lanishlar kislorod molekulasiga qaraganda kamroq kuchli bo'lib, bu ozonning kimyoviy faolligiga olib keladi: ozon ko'plab moddalarni eritmalarda yoki quruq shaklda qizdirmasdan osongina oksidlaydi:
Ozon katalizatorsiz azot oksidi (IV) ni azot oksidi (V) ga, oltingugurt oksidi (IV) oltingugurt oksidi (VI) ga oson oksidlanishga qodir:
Ozon asta-sekin parchalanib, kislorod hosil qiladi:
Ozon ishlab chiqarish uchun maxsus qurilmalar - ozonizatorlar qo'llaniladi, ularda porlash oqimi kislorod orqali o'tadi.
Laboratoriyada oz miqdorda ozon olish uchun ba'zan qizdirilganda perokso birikmalari va ba'zi yuqori oksidlarning parchalanish reaktsiyalari qo'llaniladi:
Elektron o`quv resurs materiallari bilan ishlash “Ozonni olish va uning xossalarini o`rganish” laboratoriya ishi.
Indigo eritmasi nima uchun rangsiz bo'lishini tushuntiring. Qo‘rg‘oshin nitrat va natriy sulfid eritmalari aralashtirilganda va hosil bo‘lgan suspenziyadan ozonlangan havo o‘tkazilganda sodir bo‘ladigan reaksiyalar tenglamalarini yozing. Ion almashinish reaksiyasining ion tenglamalarini yozing. Oksidlanish-qaytarilish reaksiyasi uchun elektron balans tuzing.
Vazifani o'qituvchi bilan video xonada yoki xonada muhokama qiling.
Suvning kimyoviy xossalari
Suvning fizik xossalari va uning ahamiyatini yaxshiroq tushunish uchun “Suvning anomal xossalari” va “Suv Yerdagi eng muhim suyuqlik” elektron o‘quv resurslari materiallari bilan ishlang.
Har qanday tirik organizmlar uchun suv katta ahamiyatga ega - aslida ko'plab tirik organizmlar suvning yarmidan ko'pini tashkil qiladi. Suv eng ko'p qirrali erituvchilardan biridir (yuqori harorat va bosimlarda uning erituvchi sifatidagi imkoniyatlari sezilarli darajada oshadi). Kimyoviy nuqtai nazardan, suv vodorod oksidi bo'lib, suvli eritmada u (juda kichik bo'lsa ham) vodorod kationlari va gidroksid anionlariga ajraladi:
.
Suv ko'plab metallar bilan o'zaro ta'sir qiladi. Faol (ishqoriy, ishqoriy tuproq va ba'zi lantanidlar) bilan suv qizdirmasdan reaksiyaga kirishadi:
Kamroq faol shovqin bilan qizdirilganda sodir bo'ladi.
Davriy tizimda vodorod o'z xususiyatlariga ko'ra mutlaqo qarama-qarshi bo'lgan ikkita elementlar guruhida joylashgan. Bu xususiyat uni butunlay noyob qiladi. Vodorod nafaqat element yoki modda, balki ko'plab murakkab birikmalarning tarkibiy qismi, organogen va biogen elementdir. Shuning uchun biz uning xususiyatlarini va xususiyatlarini batafsilroq ko'rib chiqamiz.
Metall va kislotalarning o'zaro ta'sirida yonuvchi gazning ajralib chiqishi 16-asrda, ya'ni kimyoning fan sifatida shakllanishi davrida kuzatilgan. Mashhur ingliz olimi Genri Kavendish 1766 yildan boshlab moddani o'rganib, unga "yonuvchi havo" nomini berdi. Bu gaz yondirilganda suv hosil qilgan. Afsuski, olimning flogiston (gipotetik «giper nozik materiya») nazariyasiga sodiqligi to‘g‘ri xulosalar chiqarishga to‘sqinlik qildi.
Fransuz kimyogari va tabiatshunosi A.Lavuazye injener J.Meunye bilan birgalikda va maxsus gazometrlar yordamida 1783 yilda suvning sintezini, so‘ngra suv bug‘ini qizdirilgan temir bilan parchalab, tahlil qilishni amalga oshirdi. Shunday qilib, olimlar to'g'ri xulosaga kelishdi. Ular "yonuvchi havo" nafaqat suvning bir qismi, balki undan ham olish mumkinligini aniqladilar.
1787 yilda Lavoisier o'rganilayotgan gaz oddiy modda ekanligini va shunga ko'ra birlamchi kimyoviy elementlar qatoriga kirishini taklif qildi. U uni gidrogen (yunoncha hydor — suv + gennao — tugʻaman) soʻzlaridan, yaʼni «suv tugʻdiruvchi» deb atagan.
Ruscha "vodorod" nomi 1824 yilda kimyogar M. Solovyov tomonidan taklif qilingan. Suv tarkibining aniqlanishi “flogiston nazariyasi”ning tugashini belgilab berdi. 18-19-asrlar oxirida vodorod atomi juda engil (boshqa elementlarning atomlari bilan solishtirganda) va uning massasi atom massalarini taqqoslash uchun asosiy birlik sifatida 1 ga teng qiymatga ega ekanligi aniqlandi.
Jismoniy xususiyatlar
Vodorod fanga ma'lum bo'lgan barcha moddalarning eng yengili (u havodan 14,4 marta engil), zichligi 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Ushbu material mos ravishda -259,1 ° C va -252,8 ° C da eriydi (qattiqlashadi) va qaynaydi (suyuqlanadi).
Vodorodning kritik harorati juda past (-240 °C). Shu sababli uni suyultirish ancha murakkab va qimmat jarayondir. Moddaning kritik bosimi 12,8 kgf/sm², kritik zichligi esa 0,0312 g/sm³. Barcha gazlar orasida vodorod eng yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega: 1 atm va 0 ° C da u 0,174 Vt / (mxK) ni tashkil qiladi.
Xuddi shu sharoitda moddaning o'ziga xos issiqlik sig'imi 14,208 kJ / (kgxK) yoki 3,394 kal / (gh ° C) ni tashkil qiladi. Bu element suvda ozgina eriydi (1 atm va 20 ° C da taxminan 0,0182 ml / g), lekin yaxshi - ko'pchilik metallarda (Ni, Pt, Pa va boshqalar), ayniqsa palladiyda (Pd hajmiga taxminan 850 hajm) .
Oxirgi xususiyat uning tarqalish qobiliyati bilan bog'liq, uglerod qotishmasi (masalan, po'lat) orqali diffuziya vodorodning uglerod bilan o'zaro ta'siri tufayli qotishmaning yo'q qilinishi bilan birga bo'lishi mumkin (bu jarayon dekarbonizatsiya deb ataladi). Suyuq holatda modda juda engil (zichligi - 0,0708 g / sm³ t ° \u003d -253 ° C da) va suyuq (bir xil sharoitlarda yopishqoqlik - 13,8 santigrat).
Ko'pgina birikmalarda bu element natriy va boshqa gidroksidi metallarga o'xshash +1 valentlikni (oksidlanish darajasi) ko'rsatadi. Odatda bu metallarning analogi sifatida qabul qilinadi. Shunga ko'ra, u Mendeleyev tizimining I guruhini boshqaradi. Metall gidridlarda vodorod ioni manfiy zaryadga ega (oksidlanish darajasi -1), ya'ni Na + H- Na + Cl- xloridga o'xshash tuzilishga ega. Shu va boshqa ba'zi faktlarga muvofiq ("H" elementi va galogenlarning fizik xossalarining yaqinligi, uni organik birikmalardagi galogenlar bilan almashtirish qobiliyati) Gidrogen Mendeleyev tizimining VII guruhiga kiradi.
Oddiy sharoitlarda molekulyar vodorod past faollikka ega bo'lib, to'g'ridan-to'g'ri faqat eng faol nometall bilan (ftor va xlor bilan, ikkinchisi bilan - yorug'likda) birlashadi. O'z navbatida, qizdirilganda u ko'plab kimyoviy elementlar bilan o'zaro ta'sir qiladi.
Atom vodorodining kimyoviy faolligi oshadi (molekulyar vodorodga nisbatan). Kislorod bilan quyidagi formula bo'yicha suv hosil qiladi:
N₂ + ½O₂ = N₂O,
285,937 kJ / mol issiqlik yoki 68,3174 kkal / mol (25 ° C, 1 atm) chiqaradi. Oddiy harorat sharoitida reaktsiya juda sekin davom etadi va t ° > = 550 ° S da u nazoratsiz bo'ladi. Vodorod + kislorod aralashmasining portlash chegaralari hajmi bo'yicha 4-94% H₂, vodorod + havo aralashmalari esa 4-74% H₂ (ikki hajm H₂ va bir hajm O₂ aralashmasi portlovchi gaz deb ataladi).
Ushbu element ko'pchilik metallarni kamaytirish uchun ishlatiladi, chunki u oksidlardan kislorod oladi:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4N₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O va boshqalar.
Turli xil galogenlar bilan vodorod galogenidlarni hosil qiladi, masalan:
H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Biroq, ftor bilan reaksiyaga kirishganda, vodorod portlaydi (bu qorong'uda, -252 ° C da sodir bo'ladi), brom va xlor bilan faqat qizdirilganda yoki yoritilganda va yod bilan - faqat qizdirilganda reaksiyaga kirishadi. Azot bilan o'zaro ta'sirlashganda ammiak hosil bo'ladi, lekin faqat katalizatorda, yuqori bosim va haroratda:
ZN₂ + N₂ = 2NH₃.
Qizdirilganda vodorod oltingugurt bilan faol reaksiyaga kirishadi:
H₂ + S = H₂S (vodorod sulfidi),
va ancha qiyin - tellur yoki selen bilan. Vodorod sof uglerod bilan katalizatorsiz reaksiyaga kirishadi, lekin yuqori haroratlarda:
2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metan).
Ushbu modda to'g'ridan-to'g'ri ba'zi metallar (ishqoriy, ishqoriy tuproq va boshqalar) bilan reaksiyaga kirishib, gidridlarni hosil qiladi, masalan:
N₂ + 2Li = 2LiH.
Vodorod va uglerod oksidi (II) ning o'zaro ta'siri kichik amaliy ahamiyatga ega. Bunda bosim, harorat va katalizatorga qarab turli xil organik birikmalar hosil bo`ladi: HCHO, CH₃OH va boshqalar. Reaksiya jarayonida to`yinmagan uglevodorodlar to`yinganlarga aylanadi, masalan:
S n N₂ n + N₂ = S n N₂ n ₊₂.
Vodorod va uning birikmalari kimyoda alohida rol o'ynaydi. Bu atalmish kislotali xususiyatlarini aniqlaydi. protik kislotalar ko'plab noorganik va organik birikmalarning xususiyatlariga sezilarli ta'sir ko'rsatadigan turli xil elementlar bilan vodorod aloqalarini hosil qiladi.
Vodorod olish
Ushbu elementni sanoat ishlab chiqarish uchun asosiy xom ashyo turlari neftni qayta ishlash gazlari, tabiiy yonuvchi va koks gazlaridir. U suvdan elektroliz orqali ham olinadi (elektr quvvati arzon bo'lgan joylarda). Tabiiy gazdan material olishning eng muhim usullaridan biri bu uglevodorodlarning, asosan, metanning suv bug'lari bilan katalitik o'zaro ta'siri (konversiya deb ataladi). Masalan:
CH₄ + H₂O = CO + ZH₂.
Uglevodorodlarning kislorod bilan to‘liq oksidlanishi:
CH₄ + ½O₂ \u003d CO + 2H₂.
Sintezlangan uglerod oksidi (II) konversiyaga uchraydi:
CO + H₂O = CO₂ + H₂.
Tabiiy gazdan ishlab chiqarilgan vodorod eng arzon hisoblanadi.
Suvni elektroliz qilish uchun to'g'ridan-to'g'ri oqim ishlatiladi, u NaOH yoki KOH eritmasidan o'tadi (uskunalar korroziyasini oldini olish uchun kislotalar ishlatilmaydi). Laboratoriya sharoitida material suvni elektroliz qilish yoki xlorid kislotasi va sink o'rtasidagi reaktsiya natijasida olinadi. Biroq, ko'pincha silindrlarda tayyor zavod materiallari ishlatiladi.
Qayta ishlash gazlari va koks gazidan bu element gaz aralashmasining barcha boshqa komponentlarini olib tashlash orqali ajratiladi, chunki ular chuqur sovutish paytida osonroq suyultiriladi.
Ushbu material 18-asrning oxirida sanoatda olindi. Keyin u sharlarni to'ldirish uchun ishlatilgan. Hozirgi vaqtda vodorod sanoatda, asosan, kimyo sanoatida, ammiak ishlab chiqarish uchun keng qo'llaniladi.
Moddaning ommaviy iste'molchilari metil va boshqa spirtlar, sintetik benzin va boshqa ko'plab mahsulotlarni ishlab chiqaruvchilardir. Ular uglerod oksidi (II) va vodoroddan sintez yo'li bilan olinadi. Gidrogen og'ir va qattiq suyuq yoqilg'ilarni, yog'larni va boshqalarni gidrogenlashda, HCl sintezida, neft mahsulotlarini gidrotozalashda, shuningdek, metallarni kesish / payvandlashda ishlatiladi. Yadro energiyasi uchun eng muhim elementlar uning izotoplari - tritiy va deyteriydir.
Vodorodning biologik roli
Tirik organizmlar massasining taxminan 10% (o'rtacha) ushbu elementga to'g'ri keladi. U suvning bir qismi va tabiiy birikmalarning eng muhim guruhlari, shu jumladan oqsillar, nuklein kislotalar, lipidlar, uglevodlar. U nimaga xizmat qiladi?
Ushbu material hal qiluvchi rol o'ynaydi: oqsillarning fazoviy tuzilishini saqlashda (to'rtlamchi), nuklein kislotalarning bir-birini to'ldirish tamoyilini amalga oshirishda (ya'ni, genetik ma'lumotni amalga oshirish va saqlashda), umuman olganda, molekulyar darajada "tan olishda". Daraja.
Vodorod ioni H+ organizmdagi muhim dinamik reaksiyalar/jarayonlarda ishtirok etadi. Jumladan: tirik hujayralarni energiya bilan ta'minlaydigan biologik oksidlanishda, biosintez reaktsiyalarida, o'simliklardagi fotosintezda, bakterial fotosintezda va azot fiksatsiyasida, kislota-ishqor muvozanati va gomeostazni saqlashda, membranalarni tashish jarayonlarida. U uglerod va kislorod bilan birga hayot hodisalarining funksional va strukturaviy asosini tashkil qiladi.
10.1 Vodorod
"Vodorod" nomi ham kimyoviy elementga, ham oddiy moddaga ishora qiladi. Element vodorod vodorod atomlaridan tashkil topgan. oddiy modda vodorod vodorod molekulalaridan tashkil topgan.
a) vodorod kimyoviy elementi
Elementlarning tabiiy qatorida vodorodning seriya raqami 1. Elementlar sistemasida vodorod IA yoki VIIA guruhida birinchi davrda.
Vodorod Yerdagi eng keng tarqalgan elementlardan biridir. Yer atmosferasi, gidrosfera va litosferadagi (birgalikda bu yer qobig'i deb ataladi) vodorod atomlarining molyar ulushi 0,17 ga teng. U suvda, ko'plab minerallarda, neftda, tabiiy gazda, o'simliklar va hayvonlarda uchraydi. O'rtacha inson tanasida taxminan 7 kilogramm vodorod mavjud.
Vodorodning uchta izotopi mavjud:
a) engil vodorod - protium,
b) og'ir vodorod - deyteriy(D)
c) o'ta og'ir vodorod - tritiy(T).
Tritiy beqaror (radioaktiv) izotopdir, shuning uchun u tabiatda deyarli uchramaydi. Deyteriy barqaror, ammo u juda oz: w D = 0,015% (barcha quruqlik vodorodining massasidan). Shuning uchun vodorodning atom massasi 1 Dn (1,00794 Dn) dan juda kam farq qiladi.
b) vodorod atomi
Kimyo kursining oldingi bo'limlaridan siz vodorod atomining quyidagi xususiyatlarini allaqachon bilasiz:
Vodorod atomining valentlik qobiliyati bitta valentlik orbitalda bitta elektron mavjudligi bilan aniqlanadi. Katta ionlanish energiyasi vodorod atomini elektron berishga moyil bo'lmaydi va juda yuqori bo'lmagan elektron yaqinlik uni qabul qilish tendentsiyasiga olib keladi. Binobarin, kimyoviy tizimlarda H kationining hosil bo'lishi mumkin emas va H anioni bilan birikmalar unchalik barqaror emas. Shunday qilib, bitta juftlashtirilmagan elektron tufayli boshqa atomlar bilan kovalent bog'lanish hosil bo'lishi vodorod atomiga eng xosdir. Anion hosil bo'lishida ham, kovalent bog' hosil bo'lishida ham vodorod atomi bir valentli bo'ladi.
Oddiy moddada vodorod atomlarining oksidlanish darajasi nolga teng, ko'pgina birikmalarda vodorod +I oksidlanish darajasini ko'rsatadi va faqat vodoroddagi eng kam elektron manfiy elementlarning gidridlarida -I oksidlanish darajasi.
Vodorod atomining valentlik imkoniyatlari haqida ma'lumot 28-jadvalda keltirilgan. Har qanday atom bilan bitta kovalent bog' bilan bog'langan vodorod atomining valentlik holati jadvalda "H-" belgisi bilan ko'rsatilgan.
28-jadvalVodorod atomining valentlik imkoniyatlari
Valentlik holati |
Kimyoviy moddalarga misollar |
|||
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 |
v) vodorod molekulasi
Ikki atomli vodorod molekulasi H 2 vodorod atomlari ular uchun mumkin bo'lgan yagona kovalent aloqa bilan bog'langanda hosil bo'ladi. Aloqa almashinuv mexanizmi orqali shakllanadi. Elektron bulutlarning bir-birining ustiga chiqishiga ko'ra, bu s-bog'dir (10.1-rasm). A). Atomlar bir xil bo'lgani uchun bog'lanish qutbsizdir.
Vodorod molekulasidagi atomlararo masofa (aniqrog'i, muvozanat atomlararo masofa, chunki atomlar tebranadi) r(H-H) = 0,74 A (10.1-rasm V), bu orbital radiuslar yig'indisidan (1,06 A) ancha kichikdir. Binobarin, bog'lovchi atomlarning elektron bulutlari bir-biriga chuqur tushadi (10.1-rasm). b), vodorod molekulasidagi bog'lanish kuchli. Buni bog'lanish energiyasining ancha katta qiymati ham tasdiqlaydi (454 kJ/mol).
Agar molekula shaklini chegara yuzasi (elektron bulutining chegara yuzasiga o'xshash) bilan tavsiflasak, u holda vodorod molekulasi biroz deformatsiyalangan (cho'zilgan) shar shakliga ega deb aytishimiz mumkin (10.1-rasm). G).
d) vodorod (modda)
Oddiy sharoitlarda vodorod rangsiz va hidsiz gazdir. Kichik miqdorda, u toksik emas. Qattiq vodorod 14 K (-259 ° C) da eriydi, suyuq vodorod esa 20 K (-253 ° C) da qaynaydi. Past erish va qaynash nuqtalari, suyuq vodorod mavjudligi uchun juda kichik harorat oralig'i (faqat 6 ° C), shuningdek erish (0,117 kJ / mol) va bug'lanishning kichik molyar issiqliklari (0,903 kJ / mol) molekulalararo bog'lanishni ko'rsatadi. vodorodda juda zaif.
Vodorod zichligi r (H 2) \u003d (2 g / mol): (22,4 l / mol) \u003d 0,0893 g / l. Taqqoslash uchun: o'rtacha havo zichligi 1,29 g / l. Ya'ni, vodorod havodan 14,5 marta "engilroq". Suvda amalda erimaydi.
Xona haroratida vodorod faol emas, lekin qizdirilganda u ko'plab moddalar bilan reaksiyaga kirishadi. Ushbu reaksiyalarda vodorod atomlari oksidlanish darajasini ham oshirishi, ham kamaytirishi mumkin: H 2 + 2 e- \u003d 2H -I, H 2 - 2 e- \u003d 2H + I.
Birinchi holda, vodorod oksidlovchi vositadir, masalan, natriy yoki kaltsiy bilan reaktsiyalarda: 2Na + H 2 = 2NaH, ( t) Ca + H 2 = CaH 2. ( t)
Ammo qaytaruvchi xususiyatlar vodorodga ko'proq xosdir: O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. ( t)
Qizdirilganda vodorod nafaqat kislorod, balki boshqa ba'zi metall bo'lmaganlar, masalan, ftor, xlor, oltingugurt va hatto azot bilan ham oksidlanadi.
Laboratoriyada vodorod reaksiya natijasida hosil bo'ladi
Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2.
Rux o'rniga temir, alyuminiy va boshqa ba'zi metallar, sulfat kislota o'rniga boshqa ba'zi suyultirilgan kislotalar ishlatilishi mumkin. Hosil bo'lgan vodorod probirkaga suvni siljitish usuli bilan yig'iladi (10.2-rasmga qarang). b) yoki oddiygina teskari kolbaga (10.2-rasm). A).
Sanoatda vodorod tabiiy gazdan (asosan metan) nikel katalizatori ishtirokida 800 ° C da suv bug'lari bilan o'zaro ta'sir qilish orqali ko'p miqdorda olinadi:
CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2 ( t, Ni)
yoki yuqori haroratda suv bug'li ko'mir bilan ishlov beriladi:
2H 2 O + C \u003d 2H 2 + CO 2. ( t)
Sof vodorod suvdan elektr toki bilan parchalanib (elektrolizga uchragan holda) olinadi:
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (elektroliz).
e) vodorod birikmalari
Gidridlar (vodorodni o'z ichiga olgan ikkilik birikmalar) ikkita asosiy turga bo'linadi:
a) uchuvchan
(molekulyar) gidridlar,
b) tuzga o'xshash (ionli) gidridlar.
Elementlar IVA - VIIA guruhlari va bor molekulyar gidridlarni hosil qiladi. Ulardan faqat metall bo'lmagan elementlarning gidridlari barqarordir:
B 2 H 6 ; CH 4 ; NH3; H2O; HF
SiH 4 ;PH 3 ; H2S; HCl
AsH 3; H2Se; HBr
H2Te; Salom
Suvdan tashqari, bu birikmalarning barchasi xona haroratida gazsimon moddalardir, shuning uchun ularning nomi - "uchuvchi gidridlar".
Nometalllarni hosil qiluvchi ba'zi elementlar ham murakkabroq gidridlar tarkibiga kiradi. Masalan, uglerod umumiy formulalari C bilan birikmalar hosil qiladi n H2 n+2, C n H2 n, C n H2 n-2 va boshqalar, qaerda n juda katta bo'lishi mumkin (organik kimyo bu birikmalarni o'rganadi).
Ion gidridlariga ishqoriy, ishqoriy tuproq va magniy gidridlari kiradi. Bu gidridlarning kristallari Me yoki Me 2 (elementlar sistemasi guruhiga qarab) eng yuqori oksidlanish darajasidagi H anionlari va metall kationlaridan iborat.
| LiH | |
| NaH | MgH2 |
| KH | CaH2 |
| RbH | SrH 2 |
| CSH | BaH2 |
Ham ion, ham deyarli barcha molekulyar gidridlar (H 2 O va HF dan tashqari) qaytaruvchi moddalardir, ammo ion gidridlari molekulyarlarga qaraganda ancha kuchliroq qaytaruvchi xususiyatga ega.
Gidridlardan tashqari, vodorod gidroksidlar va ba'zi tuzlarning bir qismidir. Bu murakkabroq vodorod birikmalarining xossalari bilan keyingi boblarda tanishasiz.
Sanoatda ishlab chiqarilgan vodorodning asosiy iste'molchilari ammiak va azotli o'g'itlar ishlab chiqarish zavodlari bo'lib, bu erda ammiak to'g'ridan-to'g'ri azot va vodoroddan olinadi:
N 2 + 3H 2 2NH 3 ( R, t, Pt - katalizator).
Vodorod ko'p miqdorda metil spirtini (metanol) hosil qilish uchun 2H 2 + CO = CH 3 OH ( t, ZnO - katalizator), shuningdek, to'g'ridan-to'g'ri xlor va vodoroddan olinadigan vodorod xlorid ishlab chiqarishda:
H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.
Ba'zan vodorod metallurgiyada sof metallar olishda qaytaruvchi sifatida ishlatiladi, masalan: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
1. a) protiy, b) deyteriy, v) tritiy yadrolari qanday zarrachalardan iborat?
2. Vodorod atomining ionlanish energiyasini boshqa elementlar atomlarining ionlanish energiyasi bilan solishtiring. Ushbu xususiyatga ko'ra qaysi element vodorodga eng yaqin?
3. Elektron yaqinlik energiyasi uchun ham xuddi shunday qiling
4. Kovalent bog ning qutblanish yo nalishini va birikmalardagi vodorodning oksidlanish darajasini solishtiring: a) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; b) CH 4, SiH 4, GeH 4.
5. Vodorodning eng oddiy, molekulyar, strukturaviy va fazoviy formulasini yozing. Qaysi biri eng ko'p ishlatiladi?
6. Ular tez-tez aytadilar: "Vodorod havodan engilroq". Bu nima degani? Qaysi hollarda bu iborani to'g'ridan-to'g'ri qabul qilish mumkin, qaysi hollarda emas?
7. Kaliy va kalsiy gidridlari hamda ammiak, vodorod sulfidi va vodorod bromidning tuzilish formulalarini tuzing.
8. Vodorodning sintezi va bug'lanishining molyar issiqliklarini bilib, mos keladigan xususiy miqdorlarning qiymatlarini aniqlang.
9. Vodorodning asosiy kimyoviy xossalarini ko'rsatuvchi to'rtta reaksiyaning har biri uchun elektron muvozanat tuzing. Oksidlovchi va qaytaruvchi moddalarni sanab bering.
10. Laboratoriya usulida 4,48 litr vodorod olish uchun zarur bo’lgan ruxning massasini aniqlang.
11. 1:2 hajm nisbatida olingan 30 m 3 metan va suv bug'lari aralashmasidan 80% lik hosil bilan olinadigan vodorodning massasi va hajmini aniqlang.
12. Vodorodning a) ftor bilan, b) oltingugurt bilan o'zaro ta'sirida sodir bo'ladigan reaksiyalar tenglamalarini tuzing.
13. Quyidagi reaksiya sxemalari ionli gidridlarning asosiy kimyoviy xossalarini ko‘rsatadi:
a) MH + O 2 MOH ( t); b) MH + Cl 2 MCl + HCl ( t);
c) MH + H 2 O MOH + H 2; d) MH + HCl(p) MCl + H 2
Bu erda M litiy, natriy, kaliy, rubidiy yoki seziydir. Agar M natriy bo'lsa, tegishli reaksiyalar tenglamalarini tuzing. Kaltsiy gidridning kimyoviy xossalarini reaksiya tenglamalari bilan tasvirlab bering.
14. Elektron muvozanat usulidan foydalanib, ayrim molekulyar gidridlarning qaytaruvchi xossalarini tasvirlovchi quyidagi reaksiyalar tenglamalarini yozing:
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 Kislorod
Vodorod misolida bo'lgani kabi, "kislorod" so'zi ham kimyoviy elementning, ham oddiy moddaning nomidir. Oddiy moddadan tashqari" kislorod"(dioksid) kimyoviy element kislorod boshqa oddiy moddani hosil qiladi " ozon"(uch kislorod). Bular kislorodning allotropik modifikatsiyalari. Kislorod moddasi kislorod molekulalaridan O 2 dan, ozon moddasi esa O 3 molekulalaridan iborat.
a) Kimyoviy element kislorod
Elementlarning tabiiy qatorida kislorodning tartib raqami 8. Elementlar sistemasida kislorod VIA guruhida ikkinchi davrda.
Kislorod Yerdagi eng keng tarqalgan elementdir. Yer qobig'ida har ikkinchi atom kislorod atomidir, ya'ni Yer atmosferasi, gidrosfera va litosferadagi kislorodning molyar ulushi taxminan 50% ni tashkil qiladi. Kislorod (modda) havoning ajralmas qismidir. Havodagi kislorodning hajm ulushi 21% ni tashkil qiladi. Kislorod (element) suvning bir qismi, ko'plab minerallar, shuningdek o'simliklar va hayvonlar. Inson tanasida o'rtacha 43 kg kislorod mavjud.
Tabiiy kislorod uchta izotopdan (16 O, 17 O va 18 O) iborat bo`lib, ulardan eng yengili 16 O izotopi keng tarqalgan.Shuning uchun kislorodning atom massasi 16 Dn (15,9994 Dn) ga yaqin.
b) kislorod atomi
Siz kislorod atomining quyidagi xususiyatlarini bilasiz.
29-jadvalKislorod atomining valentlik imkoniyatlari
Valentlik holati |
Kimyoviy moddalarga misollar |
|||
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 |
* Bu oksidlarni ionli birikmalar deb ham hisoblash mumkin.
** Molekuladagi kislorod atomlari berilgan valentlik holatida emas; bu kislorod atomlarining oksidlanish darajasi nolga teng bo'lgan moddaning misolidir
Yuqori ionlanish energiyasi (vodorod kabi) kislorod atomidan oddiy kation hosil bo'lishini istisno qiladi. Elektronga yaqinlik energiyasi ancha yuqori (vodorodnikidan deyarli ikki baravar yuqori), bu kislorod atomining elektronlarni biriktirishga ko'proq moyilligini va O 2A anionlarini hosil qilish qobiliyatini ta'minlaydi. Ammo kislorod atomining elektronga yaqinlik energiyasi hali ham galogen atomlari va hatto VIA guruhining boshqa elementlarinikidan kamroq. Shuning uchun kislorod anionlari ( oksid ionlari) faqat kislorodning atomlari juda oson elektron beradigan elementlar bilan birikmalarida mavjud.
Ikki juft bo'lmagan elektronni almashish orqali kislorod atomi ikkita kovalent bog'lanish hosil qilishi mumkin. Qo'zg'alishning mumkin emasligi sababli ikkita yolg'iz elektron juftligi faqat donor-akseptor o'zaro ta'siriga kirishi mumkin. Shunday qilib, bog'lanishlarning ko'pligini va gibridlanishni hisobga olmagan holda, kislorod atomi besh valentlik holatidan birida bo'lishi mumkin (29-jadval).
Kislorod atomining eng xarakterli xususiyati valentlik holatidir V k \u003d 2, ya'ni ikkita juftlashtirilmagan elektron tufayli ikkita kovalent bog'lanish hosil bo'lishi.
Kislorod atomining juda yuqori elektromanfiyligi (faqat ftor yuqoriroq) uning ko'pgina birikmalarida kislorod -II oksidlanish darajasiga ega bo'lishiga olib keladi. Kislorod oksidlanish darajasining boshqa qiymatlarini ko'rsatadigan moddalar mavjud bo'lib, ulardan ba'zilari misol sifatida 29-jadvalda keltirilgan va qiyosiy barqarorlik 2-rasmda keltirilgan. 10.3.
c) Kislorod molekulasi
Ikki atomli kislorod molekulasi O 2 tarkibida ikkita juftlashtirilmagan elektron mavjudligi eksperimental ravishda aniqlangan. Valentlik bog'lanish usulidan foydalanib, ushbu molekulaning bunday elektron tuzilishini tushuntirib bo'lmaydi. Shunga qaramay, kislorod molekulasidagi bog'lanish xossalari bo'yicha kovalent bog'ga yaqin. Kislorod molekulasi qutbsizdir. Atomlararo masofa ( r o–o = 1,21 A = 121 nm) bitta bog' bilan bog'langan atomlar orasidagi masofadan kichikdir. Molyar bog'lanish energiyasi ancha yuqori va 498 kJ/mol ni tashkil qiladi.
d) kislorod (modda)
Oddiy sharoitlarda kislorod rangsiz va hidsiz gazdir. Qattiq kislorod 55 K (–218 ° C) da eriydi, suyuq kislorod esa 90 K (–183 ° C) da qaynaydi.
Qattiq va suyuq kisloroddagi molekulalararo bog'lanishlar vodorodga qaraganda birmuncha kuchliroqdir, buni suyuq kislorod mavjudligi uchun kattaroq harorat oralig'i (36 ° C) va erishning molyar issiqliklari (0,446 kJ / mol) va bug'lanish (6, 83) tasdiqlaydi. kJ/mol).
Kislorod suvda ozgina eriydi: 0 ° C da 100 hajm suvda (suyuqlik!) atigi 5 hajm kislorod (gaz!) eriydi.
Kislorod atomlarining elektronlarni biriktirishga yuqori moyilligi va yuqori elektromanfiyligi kislorodning faqat oksidlovchi xususiyatga ega bo'lishiga olib keladi. Bu xususiyatlar ayniqsa yuqori haroratlarda namoyon bo'ladi.
Kislorod ko'plab metallar bilan reaksiyaga kirishadi: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( t);
metall bo'lmaganlar: C + O 2 \u003d CO 2, P 4 + 5O 2 \u003d P 4 O 10,
va murakkab moddalar: CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 \u003d 2H 2 O + 2SO 2.
Ko'pincha, bunday reaktsiyalar natijasida turli oksidlar olinadi (II § 5-bandga qarang), ammo natriy kabi faol gidroksidi metallar yonganda peroksidlarga aylanadi:
2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.
Olingan natriy peroksid (Na) 2 (O-O) ning tuzilish formulasi.
Kislorodga qo'yilgan yonayotgan parcha yonib ketadi. Bu sof kislorodni aniqlashning qulay va oson usuli.
Sanoatda kislorod havodan rektifikatsiya (murakkab distillash) yo'li bilan, laboratoriyada esa kislorod o'z ichiga olgan ba'zi birikmalarni termal parchalanish yo'li bilan olinadi, masalan:
2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 ° C);
2KClO 3 \u003d 2KCl + 3O 2 (150 ° C, MnO 2 - katalizator);
2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 ° C)
va bundan tashqari, xona haroratida vodorod peroksidning katalitik parchalanishi bilan: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 -katalizator).
Toza kislorod sanoatda oksidlanish sodir bo'ladigan jarayonlarni kuchaytirish va yuqori haroratli olovni yaratish uchun ishlatiladi. Raketa texnologiyasida suyuq kislorod oksidlovchi sifatida ishlatiladi.
Kislorod o'simliklar, hayvonlar va odamlarning hayotini saqlab turishda muhim rol o'ynaydi. Oddiy sharoitlarda odam havoda nafas olish uchun etarli miqdorda kislorodga muhtoj. Ammo havo etarli bo'lmagan yoki umuman mavjud bo'lmagan sharoitlarda (samolyotlarda, sho'ng'in operatsiyalari paytida, kosmik kemalarda va hokazo) nafas olish uchun kislorod bo'lgan maxsus gaz aralashmalari tayyorlanadi. Kislorod tibbiyotda nafas olishda qiyinchilik tug'diradigan kasalliklarda ham qo'llaniladi.
e) Ozon va uning molekulalari
Ozon O 3 kislorodning ikkinchi allotropik modifikatsiyasidir.
Uch atomli ozon molekulasi quyidagi formulalar bilan ifodalangan ikkita strukturaning o'rtasida burchak tuzilishiga ega:
Ozon - o'tkir hidli quyuq ko'k gaz. Kuchli oksidlovchi faolligi tufayli u zaharli hisoblanadi. Ozon kisloroddan bir yarim baravar "og'irroq" va suvda eriydigan kisloroddan bir oz ko'proq.
Ozon atmosferada kisloroddan chaqmoq elektr zaryadlari paytida hosil bo'ladi:
3O 2 \u003d 2O 3 ().
Oddiy haroratda ozon asta-sekin kislorodga aylanadi va qizdirilganda bu jarayon portlash bilan davom etadi.
Ozon Yer atmosferasining "ozon qatlami" deb ataladigan qatlamda mavjud bo'lib, Yerdagi barcha hayotni quyosh nurlanishining zararli ta'siridan himoya qiladi.
Ba'zi shaharlarda ichimlik suvini zararsizlantirish (zararsizlantirish) uchun xlor o'rniga ozon ishlatiladi.
Quyidagi moddalarning tuzilish formulalarini tuzing: 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. Ushbu moddalarni nomlang. Ushbu birikmalardagi kislorod atomlarining valentlik holatlarini tasvirlab bering.
Kislorod atomlarining har birining valentlik va oksidlanish darajasini aniqlang.
2. Litiy, magniy, alyuminiy, kremniy, qizil fosfor va selenning kislorodda yonish reaksiyalari tenglamalarini tuzing (selen atomlari oksidlanish darajasi + IV, qolgan elementlarning atomlari eng yuqori oksidlanish darajasigacha oksidlanadi. ). Bu reaksiyalar hosilalari oksidlarning qaysi sinflariga kiradi?
3. Necha litr ozon olish mumkin (normal sharoitda) a) 9 litr kisloroddan, b) 8 g kisloroddan?
Suv er qobig'ida eng ko'p tarqalgan moddadir. Yerdagi suvning massasi 1018 tonnaga baholanadi. Suv sayyoramiz gidrosferasining asosini tashkil etadi, bundan tashqari, u atmosferada mavjud bo'lib, muz shaklida Yerning qutb qopqoqlarini va baland tog'li muzliklarni hosil qiladi, shuningdek, turli xil jinslarning bir qismidir. Inson tanasidagi suvning massa ulushi taxminan 70% ni tashkil qiladi.
Suv uchta agregat holatida ham o'ziga xos nomga ega bo'lgan yagona moddadir.
Suv molekulasining elektron tuzilishi (10.4-rasm A) biz avvalroq batafsil o'rganib chiqdik (7.10-bandga qarang).
O-H aloqalarining qutbliligi va burchak shakli tufayli suv molekulasi elektr dipol.
Elektr dipolining qutbliligini tavsiflash uchun fizik miqdor " elektr dipolning elektr momenti yoki oddiygina " dipol moment".
Kimyoda dipol moment debylarda o'lchanadi: 1 D = 3,34. 10–30 S. m
Suv molekulasida ikkita qutbli kovalent bog'lanish, ya'ni ikkita elektr dipol bo'lib, ularning har biri o'z dipol momentiga (va) ega. Molekulaning umumiy dipol momenti bu ikki momentning vektor yig'indisiga teng (10.5-rasm):
(H 2 O) = 
,
Qayerda q 1 va q 2 - vodorod atomlarida qisman zaryadlar (+) va va - molekulada atomlararo masofalar O - H. Chunki q 1 = q 2 = q, a , keyin
Suv molekulasi va ba'zi boshqa molekulalarning tajribada aniqlangan dipol momentlari jadvalda keltirilgan.
30-jadvalAyrim qutbli molekulalarning dipol momentlari
Molekula |
Molekula |
Molekula |
|||
Suv molekulasining dipol xususiyatini hisobga olgan holda, u ko'pincha sxematik tarzda quyidagicha tasvirlangan:
Toza suv ta'mi va hidi bo'lmagan rangsiz suyuqlikdir. Suvning ba'zi asosiy jismoniy xususiyatlari jadvalda keltirilgan.
31-jadvalSuvning ba'zi fizik xususiyatlari
Erish va bug'lanishning molyar issiqliklarining katta qiymatlari (vodorod va kislorodnikidan kattaroq kattalik tartibi) qattiq va suyuq moddalardagi suv molekulalari bir-biri bilan juda kuchli bog'langanligini ko'rsatadi. Bunday ulanishlar deyiladi vodorod aloqalari".
ELEKTR DIPOLI, DIPOLE MOMENTI, ALOQA QUTBULLIGI, MOLEKULA QUTBULLIGI.
Kislorod atomining nechta valent elektronlari suv molekulasida bog'lanish hosil bo'lishida ishtirok etadi?
2. Qaysi orbitallar ustma-ust tushganda suv molekulasidagi vodorod va kislorod o'rtasida bog'lar hosil bo'ladi?
3. Vodorod peroksid H 2 O 2 molekulasida bog‘lanishning hosil bo‘lish sxemasini tuzing. Bu molekulaning fazoviy tuzilishi haqida nima deya olasiz?
4. HF, HCl va HBr molekulalaridagi atomlararo masofalar mos ravishda 0,92 ga teng; 1.28 va 1.41. Dipol momentlar jadvalidan foydalanib, ushbu molekulalardagi vodorod atomlarining qisman zaryadlarini hisoblang va taqqoslang.
5. Vodorod sulfidi molekulasidagi atomlararo masofalar S - H 1,34 ga teng, bog'lanishlar orasidagi burchak esa 92 °. Oltingugurt va vodorod atomlaridagi qisman zaryadlarning qiymatlarini aniqlang. Oltingugurt atomining valentlik orbitallarining gibridlanishi haqida nima deya olasiz?
10.4. vodorod aloqasi
Ma'lumki, vodorod va kislorodning (2.10 va 3.50) elektr manfiyligidagi sezilarli farq tufayli suv molekulasidagi vodorod atomi katta musbat qisman zaryad oladi ( q h = 0,33 e) va kislorod atomi undan ham kattaroq manfiy qisman zaryadga ega ( q h = -0,66 e). Shuni ham eslangki, kislorod atomida ikkita yakka elektron juft bor sp 3-gibrid AO. Bir suv molekulasining vodorod atomi boshqa molekulaning kislorod atomiga tortiladi va bundan tashqari, vodorod atomining yarim bo'sh 1s-AO qisman kislorod atomidan bir juft elektronni qabul qiladi. Molekulalar o'rtasidagi bunday o'zaro ta'sirlar natijasida molekulalararo aloqalarning maxsus turi - vodorod aloqasi paydo bo'ladi.
Suv holatida vodorod aloqasining shakllanishi sxematik tarzda quyidagicha ifodalanishi mumkin:
Oxirgi tizimli formulada uchta nuqta (elektron emas, balki chiziqli zarba!) vodorod aloqasini ko'rsatadi.
Vodorod aloqasi nafaqat suv molekulalari o'rtasida mavjud. Ikki shart bajarilgan taqdirda hosil bo'ladi:
1) molekulada kuchli qutbli H-E aloqasi mavjud (E - yetarlicha elektronegativ element atomining belgisi),
2) molekulada katta manfiy qisman zaryadga ega bo'lgan va bo'linmagan juft elektronga ega bo'lgan atom E mavjud.
E element sifatida ftor, kislorod va azot bo'lishi mumkin. Agar E xlor yoki oltingugurt bo'lsa, vodorod aloqalari ancha zaifdir.
Molekulalar o'rtasida vodorod aloqasi bo'lgan moddalarga misollar: vodorod ftorid, qattiq yoki suyuq ammiak, etil spirti va boshqalar.
Suyuq vodorod ftorida uning molekulalari vodorod bog'lari orqali ancha uzun zanjirlarga bog'langan, suyuq va qattiq ammiakda esa uch o'lchovli tarmoqlar hosil bo'ladi.
Kuchlilik nuqtai nazaridan vodorod aloqasi kimyoviy bog'lanish va molekulalararo boshqa turdagi bog'lanishlar o'rtasida oraliq hisoblanadi. Vodorod aloqasining molyar energiyasi odatda 5 dan 50 kJ / mol oralig'ida bo'ladi.
Qattiq suvda (ya'ni muz kristallari) barcha vodorod atomlari kislorod atomlari bilan vodorod bog'langan bo'lib, har bir kislorod atomi ikkita vodorod aloqasini hosil qiladi (ikkala yolg'iz elektron juftligidan foydalangan holda). Bunday tuzilish muzni suyuq suvga nisbatan ko'proq "bo'sh" qiladi, bu erda vodorod aloqalarining bir qismi buziladi va molekulalar biroz zichroq "qadoqlash" imkoniyatiga ega bo'ladi. Muz tuzilishining bu xususiyati boshqa moddalardan farqli o'laroq, qattiq holatda bo'lgan suvning zichligi suyuq holatga qaraganda pastroq ekanligini tushuntiradi. Suv 4 ° C da maksimal zichlikka etadi - bu haroratda juda ko'p vodorod aloqalari buziladi va termal kengayish hali zichlikka juda kuchli ta'sir ko'rsatmaydi.
Vodorod aloqalari hayotimizda juda muhimdir. Tasavvur qiling-a, bir lahzaga vodorod aloqalari to'xtadi. Mana ba'zi oqibatlar:
- xona haroratidagi suv gazga aylanadi, chunki uning qaynash nuqtasi taxminan -80 ° C ga tushadi;
- barcha suv omborlari pastdan muzlay boshlaydi, chunki muzning zichligi suyuq suvning zichligidan kattaroq bo'ladi;
- DNK qo'sh spiral mavjud bo'lishni to'xtatadi va yana ko'p narsalar.
Bunday holda sayyoramizdagi tabiat butunlay boshqacha bo'lishini tushunish uchun keltirilgan misollar etarli.
VODRODOD BOG'I, UNING HAZIRLANISH SHARTLARI.
Etil spirtining formulasi CH 3 -CH 2 -O-H dir. Ushbu moddaning turli molekulalarining qaysi atomlari o'rtasida vodorod bog'lari hosil bo'ladi? Ularning shakllanishini tasvirlaydigan strukturaviy formulalar tuzing.
2. Vodorod aloqalari faqat alohida moddalarda emas, balki eritmalarda ham mavjud. Strukturaviy formulalar yordamida a) ammiak, b) vodorod ftorid, v) etanol (etil spirti) suvli eritmasida vodorod bog‘lari qanday hosil bo‘lishini ko‘rsating. \u003d 2H 2 O.
Bu reaksiyalarning ikkalasi ham suvda doimiy va bir xil tezlikda boradi, shuning uchun suvda muvozanat mavjud: 2H 2 O AN 3 O + OH.
Bu balans deyiladi avtoprotoliz muvozanati suv.
Ushbu qaytar jarayonning bevosita reaktsiyasi endotermikdir, shuning uchun qizdirilganda avtoprotoliz kuchayadi, xona haroratida muvozanat chapga siljiydi, ya'ni H 3 O va OH ionlarining kontsentratsiyasi ahamiyatsiz. Ular nimaga teng?
Ommaviy harakatlar qonuniga ko'ra
Ammo reaksiyaga kirishgan suv molekulalarining soni suv molekulalarining umumiy soniga nisbatan ahamiyatsiz bo'lganligi sababli, avtoprotoliz paytida suv konsentratsiyasi deyarli o'zgarmaydi va 2 = const Toza suvda qarama-qarshi zaryadlangan ionlarning bunday past konsentratsiyasi bu suyuqlikning yomon bo'lsa ham, elektr tokini o'tkazishini tushuntiradi.
SUVNING AVTOPROTOLIZI, SUVNING AVTOPROTOLIZI DOIMIY (IONLI MAHSULOT).
Suyuq ammiakning ion mahsuloti (qaynoq harorati -33 ° C) 2 10 -28. Ammiakning avtoprotolizi tenglamasini yozing. Sof suyuq ammiakdagi ammoniy ionlarining konsentratsiyasini aniqlang. Qaysi moddalarning elektr o'tkazuvchanligi kattaroq, suv yoki suyuq ammiak?
1. Vodorodni olish va uning yonishi (kamaytirish xossalari).
2. Kislorod olish va undagi moddalarning yonishi (oksidlovchi xossalari).
Umumiy va noorganik kimyo
Ma’ruza 6. Vodorod va kislorod. Suv. Vodorod peroksid.
Vodorod
Vodorod atomi kimyoning eng oddiy ob'ektidir. To'g'ri aytganda, uning ioni - proton - bundan ham sodda. Birinchi marta 1766 yilda Kavendish tomonidan tasvirlangan. Yunoncha ism. "gidrogenlar" - suv hosil qiluvchi.
Vodorod atomining radiusi taxminan 0,5 * 10-10 m, ioni (proton) 1,2 * 10-15 m yoki 50 dan 1,2 * 10-3 gacha yoki 50 metrdan (SCA diagonali) gacha. 1 mm.
Keyingi 1s elementi lityum faqat Li+ uchun soat 155 dan kechki 68 gacha o'zgaradi. Atom va uning kationi (5 darajali kattalik) kattaligidagi bunday farq noyobdir.
Protonning kichik o'lchamlari tufayli almashinuv vodorod aloqasi, birinchi navbatda kislorod, azot va ftor atomlari orasida. Vodorod bog'larining kuchi 10–40 kJ/mol ni tashkil qiladi, bu ko'pchilik oddiy bog'larning uzilish energiyasidan (organik molekulalarda 100–150 kJ/mol), lekin 370 S da issiqlik harakatining o'rtacha kinetik energiyasidan ancha past. (4 kJ/mol). Natijada, tirik organizmda vodorod aloqalari teskari ravishda uzilib, hayotiy jarayonlarning borishini ta'minlaydi.
Vodorod 14 K da eriydi, 20,3 K (bosim 1 atm) da qaynaydi, suyuq vodorodning zichligi atigi 71 g/l (suvdan 14 marta yengil).
Noyob yulduzlararo muhitda to'lqin uzunligi 18 m bo'lgan n 733 → 732 gacha bo'lgan o'tishlari bilan qo'zg'atilgan vodorod atomlari topildi, bu 0,1 mm tartibdagi Bor radiusiga (r = n2 * 0,5 * 10-10 m) to'g'ri keladi. (!).
Kosmosdagi eng keng tarqalgan element (atomlarning 88,6%, atomlarning 11,3% geliy va faqat 0,1% boshqa barcha elementlarning atomlari).
4 H → 4 He + 26,7 MeV 1 eV = 96,48 kJ/mol
Protonlar 1/2 spinga ega bo'lganligi sababli, vodorod molekulalarining uch turi mavjud:
ortovodorod o-H2 parallel yadro spinlari bilan, paravodorod n-H2 bilan antiparallel spinlar va normal n-H2 - 75% orto-vodorod va 25% para-vodorod aralashmasi. o-H2 → p-H2 ning transformatsiyasi vaqtida 1418 J/mol ajralib chiqadi.
Orto- va parahidrogenning xossalari
Vodorodning atom massasi mumkin bo'lgan minimal bo'lganligi sababli, uning izotoplari - deyteriy D (2 H) va tritiy T (3 H) fizik va kimyoviy xossalari bo'yicha protiy 1 H dan sezilarli darajada farq qiladi. Masalan, organik birikmadagi vodorodlardan birini deyteriy bilan almashtirish uning tebranish (infraqizil) spektriga sezilarli ta'sir qiladi, bu esa murakkab molekulalarning tuzilishini o'rnatishga imkon beradi. Shunga o'xshash almashtirishlar ("yorliqli atom usuli") kompleks mexanizmlarini o'rnatish uchun ham qo'llaniladi
kimyoviy va biokimyoviy jarayonlar. Belgilangan atomlar usuli protium o'rniga radioaktiv tritiy ishlatilganda ayniqsa sezgir (b-parchalanish, yarimparchalanish davri 12,5 yil).
Protiy va deyteriyning xossalari
Zichlik, g/l (20 K) |
|||||||
Asosiy usul vodorod ishlab chiqarish sanoatda - metan konvertatsiyasi |
|||||||
yoki 800-11000 C da ko'mir hidratsiyasi (katalizator): |
|||||||
CH4 + H2 O = CO + 3 H2 |
10000 S dan yuqori |
||||||
"Suv gazi": C + H2 O = CO + H2 |
|||||||
Keyin CO konvertatsiyasi: CO + H2 O = CO2 + H2 |
4000 S, kobalt oksidlari |
||||||
Jami: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2
Vodorodning boshqa manbalari.
Koks gazi: taxminan 55% vodorod, 25% metan, 2% gacha og'ir uglevodorodlar, 4-6% CO, 2% CO2, 10-12% azot.
Vodorod yonish mahsuloti sifatida:
Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2
1 kg pirotexnika aralashmasidan 370 litrgacha vodorod ajralib chiqadi.
Oddiy modda ko'rinishidagi vodorod ammiak ishlab chiqarish va o'simlik yog'larini gidrogenlash (qattiqlashtirish), ba'zi metallar oksidlarini (molibden, volfram) kamaytirish uchun, gidridlarni (LiH, CaH2,
LiAlH4).
Reaksiyaning entalpiyasi: H. + H. = H2 -436 kJ / mol, shuning uchun atom vodorodi yuqori haroratni kamaytiradigan "olov" ("Langmuir burner") ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Elektr yoyida vodorod oqimi 35000 C da 30% atomizatsiya qilinadi, keyin atomlarning rekombinatsiyasi bilan 50 000 S ga erishish mumkin.
Raketalarda yoqilgʻi sifatida suyultirilgan vodorod ishlatiladi (qarang kislorod ). quruqlikdagi transport uchun ekologik toza yoqilg'i va'da; vodorod metall gidridli akkumulyatorlardan foydalanish bo‘yicha tajribalar olib borilmoqda. Masalan, LaNi5 qotishmasi suyuq vodorodning bir xil hajmida (qotishma hajmi kabi) mavjud bo'lganidan 1,5-2 baravar ko'proq vodorodni o'zlashtirishi mumkin.
Kislorod
Hozirda umumiy qabul qilingan ma'lumotlarga ko'ra, kislorodni 1774 yilda J. Pristley va mustaqil ravishda K. Scheele kashf etgan. Kislorodning kashf etilishi tarixi paradigmalarning fan rivojiga ta'sirining yaxshi namunasidir (1-ilovaga qarang).
Ko'rinishidan, aslida kislorod rasmiy sanadan ancha oldin kashf etilgan. 1620 yilda Kornelius van Drebbel tomonidan ishlab chiqilgan suv osti kemasida Temza bo'ylab (Temzada) har kim yurishi mumkin edi. Qayiq o'nlab eshkakchilarning sa'y-harakatlari tufayli suv ostida harakat qildi. Ko'plab guvohlarning so'zlariga ko'ra, suv osti kemasining ixtirochisi kimyoviy vositalar yordamida undagi havoni "yangilash" orqali nafas olish muammosini muvaffaqiyatli hal qildi. Robert Boyl 1661 yilda shunday deb yozgan edi: “... Qayiqning mexanik konstruksiyasidan tashqari, ixtirochida kimyoviy eritma (ichimlik) ham bor edi.
sho'ng'inning asosiy siri deb hisoblangan. Va vaqti-vaqti bilan u havoning nafas oladigan qismi allaqachon tugaganiga va qayiqdagi odamlarning nafas olishini qiyinlashtirganiga ishonch hosil qilganida, u bu eritma bilan to'ldirilgan idishni ochib, havoni tezda to'ldirishi mumkin edi. juda uzoq vaqt davomida nafas olish uchun yana yaroqli qiladi hayotiy qismlarning shunday mazmuni.
Sog'lom odam kuniga tinch holatda o'pkasi orqali 7200 litr havo o'tkazadi va 720 litr kislorodni qaytarib bo'lmaydi. 6 m3 hajmli yopiq xonada odam ventilyatsiyasiz 12 soatgacha, jismoniy ish paytida esa 3-4 soatgacha yashashi mumkin. Nafas olish qiyinlishuvining asosiy sababi kislorod etishmasligi emas, balki karbonat angidridning to'planishi 0,3 dan 2,5% gacha.
Uzoq vaqt davomida kislorodni olishning asosiy usuli "bariy" tsikli edi (Brin usuli yordamida kislorod olish):
BaSO4 -t-→ BaO + SO3;
5000C ->
BaO + 0,5 O2 ====== BaO2<- 7000 C
Drebbelning maxfiy eritmasi vodorod peroksid eritmasi bo'lishi mumkin: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2
Piromiksturaning yonishida kislorod olish: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 kJ
80% gacha NaClO3, 10% gacha temir kukuni, 4% bariy peroksid va shisha yünü aralashmasida.
Kislorod molekulasi paramagnit (amalda biradikal), shuning uchun uning faolligi yuqori. Organik moddalar peroksid hosil bo'lish bosqichida havoda oksidlanadi.
Kislorod 54,8 K da eriydi va 90,2 K da qaynaydi.
Kislorod elementining allotropik modifikatsiyasi ozon O3 moddasidir. Yerni biologik ozondan himoya qilish juda muhim. 20-25 km balandlikda muvozanat o'rnatiladi:
UV<280 нм |
UV 280-320nm |
||
O2 ----> 2 O* |
O* + O2 + M --> O3 |
O3------- |
> O2 + O |
(M - N2 , Ar) |
|||
1974 yilda 25 km dan ortiq balandlikda freonlardan hosil bo'lgan atom xlori "ozon" ultrabinafsha o'rnini bosgandek ozonning parchalanishini katalizlashi aniqlandi. Ushbu ultrabinafsha nurlanishi teri saratonini keltirib chiqarishi mumkin (AQShda yiliga 600 000 ta holat). Aerozol qutilaridagi freonlarni taqiqlash AQShda 1978 yildan beri amal qiladi.
1990 yildan boshlab taqiqlangan moddalar ro'yxatiga (92 ta davlatda) CH3 CCl3, CCl4, xlorobromouglevodorodlar kiritilgan - ularning ishlab chiqarilishi 2000 yilga qadar qisqartiriladi.
Vodorodning kislorodda yonishi
Reaktsiya juda murakkab (3-ma'ruzadagi sxema), shuning uchun amaliy qo'llash boshlanishidan oldin uzoq vaqt o'rganish kerak edi.
1969 yil 21 iyulda birinchi yerlik - N. Armstrong oyda yurdi. Saturn-5 raketasi (Vernher fon Braun tomonidan ishlab chiqilgan) uch bosqichdan iborat. Birinchisida kerosin va kislorod, ikkinchi va uchinchida - suyuq vodorod va kislorod. Jami 468 tonna suyuq O2 va H2. 13 ta muvaffaqiyatli uchirish amalga oshirildi.
1981 yil aprel oyidan beri kosmik kema AQShda ishlamoqda: 713 tonna suyuq O2 va H2, shuningdek har biri 590 tonna bo'lgan ikkita qattiq yoqilg'i kuchaytirgichi (qattiq yoqilg'ining umumiy massasi 987 tonna). TTUga birinchi 40 km ko'tarilish, 40 dan 113 km gacha bo'lgan dvigatellar vodorod va kislorodda ishlaydi.
1987 yil 15 mayda Energia birinchi parvozi, 1988 yil 15 noyabrda Buranning birinchi va yagona parvozi. Uchirish og'irligi 2400 tonnani tashkil etadi, yoqilg'i massasi (kerosin 200 m).
yon bo'limlar, suyuq O2 va H2) 2000 t.. Dvigatel quvvati 125000 MVt, foydali yuk 105 t.
Yonish har doim ham nazorat ostida va muvaffaqiyatli bo'lmagan.
1936 yilda dunyodagi eng katta vodorod dirijabl LZ-129 "Hindenburg" qurilgan. Hajmi 200 000 m3, uzunligi taxminan 250 m, diametri 41,2 m.Har biri 1100 ot kuchiga ega 4 ta dvigatel tufayli tezligi 135 km / soat, foydali yuk 88 tonna. havo kemasi Atlantika okeani bo'ylab 37 marta parvoz qildi va 3 mingdan ortiq yoʻlovchi tashildi.
1937 yil 6-mayda AQShda dirijabl portlab, yonib ketdi. Mumkin bo'lgan sabablardan biri sabotajdir.
1986 yil 28 yanvarda parvozning 74-soniyasida Challenger ettita kosmonavt bilan portladi - Shuttle tizimining 25-parvozi. Buning sababi qattiq yoqilg'i kuchaytirgichidagi nuqson.
Namoyish:
portlovchi gaz portlashi (vodorod va kislorod aralashmasi)
yonilg'i xujayralari
Ushbu yonish reaktsiyasining texnik jihatdan muhim varianti jarayonni ikkiga bo'lishdir:
vodorod elektrooksidlanishi (anod): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O
kislorod elektroreduksiyasi (katod): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–
Bunday "yonish" amalga oshiriladigan tizim yoqilg'i xujayrasi. Samaradorlik issiqlik elektr stantsiyalariga qaraganda ancha yuqori, chunki yo'q
issiqlik hosil qilishning maxsus bosqichi. Maksimal samaradorlik = ∆G/∆H; vodorodning yonishi uchun 94% olinadi.
Ta'siri 1839 yildan beri ma'lum, ammo birinchi amalda ishlaydigan yonilg'i xujayralari amalga oshirildi
20-asr oxirida kosmosda ("Egizaklar", "Apollon", "Shuttle" - AQSh, "Buran" - SSSR).
Yoqilg'i xujayrasi istiqbollari [17]
Ballard Power Systems kompaniyasi vakili Vashingtondagi ilmiy konferentsiyada so'zga chiqib, yonilg'i xujayrasi dvigateli to'rtta asosiy mezonga javob bersa, tijorat uchun yaroqli bo'lishini ta'kidladi: ishlab chiqarilgan energiyaning arzonligi, chidamliligi oshishi, o'rnatish hajmining qisqarishi va tez ishga tushirish qobiliyati. sovuq havoda.. Yoqilg'i xujayrasi zavodi ishlab chiqaradigan bir kilovatt energiya narxini 30 dollargacha kamaytirish kerak. Taqqoslash uchun, 2004-yilda bu ko‘rsatkich 103 dollarni tashkil etgan bo‘lsa, 2005-yilda 80 dollar bo‘lishi kutilmoqda. Bu narxga erishish uchun yiliga kamida 500 ming dvigatel ishlab chiqarish kerak. Evropa olimlari prognozlarda ehtiyotkorroq va avtomobil sanoatida vodorod yonilg'i xujayralaridan tijorat maqsadlarida foydalanish 2020 yildan erta boshlanishiga ishonishadi.
Vodorod H koinotdagi eng keng tarqalgan element (massa bo'yicha taxminan 75%), Yerda u to'qqizinchi eng keng tarqalgan elementdir. Eng muhim tabiiy vodorod birikmasi suvdir.
Vodorod davriy jadvalda birinchi o'rinda turadi (Z = 1). U atomning eng oddiy tuzilishiga ega: atom yadrosi 1 proton bo'lib, 1 elektrondan iborat elektron buluti bilan o'ralgan.
Ba'zi sharoitlarda vodorod metall xossalarini ko'rsatadi (elektron beradi), boshqalarida - metall bo'lmagan (elektronni qabul qiladi).
Vodorod izotoplari tabiatda uchraydi: 1H - protiy (yadro bitta protondan iborat), 2H - deyteriy (D - yadro bitta proton va bitta neytrondan iborat), 3H - tritiy (T - yadro bitta proton va ikkitadan iborat. neytronlar).
Oddiy vodorod moddasi
Vodorod molekulasi qutbsiz kovalent aloqa bilan bog'langan ikkita atomdan iborat.
jismoniy xususiyatlar. Vodorod rangsiz, toksik bo'lmagan, hidsiz va ta'msiz gazdir. Vodorod molekulasi qutbli emas. Shuning uchun gazsimon vodorodda molekulalararo o'zaro ta'sir kuchlari kichikdir. Bu past qaynash haroratlarida (-252,6 0S) va erish nuqtalarida (-259,2 0S) namoyon bo'ladi.
Vodorod havodan engilroq, D (havoda) = 0,069; suvda ozgina eriydi (100 hajm H2Oda 2 hajm H2 eriydi). Shuning uchun, vodorod, laboratoriyada ishlab chiqarilganda, havo yoki suvni almashtirish usullari bilan to'planishi mumkin.
Vodorod olish
Laboratoriyada:
1. Suyultirilgan kislotalarning metallarga ta’siri:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2
2. Ishqoriy va ishqoriy metallarning suv bilan o'zaro ta'siri:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3. Gidridlarning gidrolizi: metall gidridlari mos keladigan ishqor va vodorod hosil bo'lishi bilan suvda oson parchalanadi:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2
4. Ishqorlarning rux yoki alyuminiy yoki kremniyga ta'siri:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Suv elektrolizi. Suvning elektr o'tkazuvchanligini oshirish uchun unga elektrolit qo'shiladi, masalan, NaOH, H 2 SO 4 yoki Na 2 SO 4. Katodda 2 hajm vodorod, anodda - 1 hajm kislorod hosil bo'ladi.
2H 2 O → 2H 2 + O 2
Vodorodning sanoat ishlab chiqarilishi
1. Metanning bug 'bilan aylanishi, Ni 800 °C (eng arzon):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Jami:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. 1000 o S da issiq koks orqali suv bug‘i:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Olingan uglerod oksidi (IV) suv tomonidan so'riladi, shu tarzda sanoat vodorodining 50% olinadi.
3. Temir yoki nikel katalizatori ishtirokida metanni 350°C gacha qizdirish orqali:
CH 4 → C + 2H 2
4. Qo'shimcha mahsulot sifatida KCl yoki NaCl ning suvli eritmalarini elektroliz qilish:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Vodorodning kimyoviy xossalari
- Aralashmalarda vodorod har doim bir valentli bo'ladi. Oksidlanish darajasi +1 ga teng, ammo metall gidridlarda -1 ga teng.
- Vodorod molekulasi ikkita atomdan iborat. Ularning orasidagi bog'lanishning paydo bo'lishi H: H yoki H 2 elektronlarning umumlashtirilgan juftligini hosil qilish bilan izohlanadi.
- Elektronlarning bunday umumlashtirilishi tufayli H 2 molekulasi o'zining alohida atomlariga qaraganda energetik jihatdan barqarorroqdir. 1 mol vodorodda molekulani atomlarga ajratish uchun 436 kJ energiya sarflash kerak: H 2 \u003d 2H, ∆H ° \u003d 436 kJ / mol
- Bu oddiy haroratda molekulyar vodorodning nisbatan past faolligini tushuntiradi.
- Ko'p metall bo'lmaganlar bilan vodorod RN 4, RN 3, RN 2, RN kabi gazsimon birikmalar hosil qiladi.
1) Galogenlar bilan vodorod galogenidlarini hosil qiladi:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
Shu bilan birga, u ftor bilan portlaydi, xlor va brom bilan faqat yoritilganda yoki qizdirilganda, yod bilan esa faqat qizdirilganda reaksiyaga kirishadi.
2) kislorod bilan:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
issiqlik chiqishi bilan. Oddiy haroratlarda reaktsiya sekin, 550 ° C dan yuqori - portlash bilan davom etadi. 2 hajm H 2 va 1 hajm O 2 aralashmasi portlovchi gaz deb ataladi.
3) qizdirilganda oltingugurt bilan kuchli reaksiyaga kirishadi (selen va tellur bilan ancha qiyin):
H 2 + S → H 2 S (vodorod sulfidi),
4) Azot bilan ammiak hosil bo'lishi bilan faqat katalizatorda va yuqori harorat va bosimlarda:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) Yuqori haroratlarda uglerod bilan:
2H 2 + C → CH 4 (metan)
6) gidroksidi va ishqoriy tuproq metallari bilan gidridlar hosil qiladi (vodorod oksidlovchi moddadir):
H 2 + 2Li → 2LiH
metall gidridlarda vodorod ioni manfiy zaryadlangan (oksidlanish darajasi -1), ya'ni Na + H gidridi xlorid Na + Cl - kabi qurilgan.
Murakkab moddalar bilan:
7) Metall oksidlari bilan (metalllarni tiklash uchun ishlatiladi):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) uglerod oksidi (II) bilan:
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Sintez - gaz (vodorod va uglerod oksidi aralashmasi) katta amaliy ahamiyatga ega, chunki harorat, bosim va katalizatorga qarab, turli xil organik birikmalar, masalan, HCHO, CH 3 OH va boshqalar hosil bo'ladi.
9) Toʻyinmagan uglevodorodlar vodorod bilan reaksiyaga kirishib, toʻyinganga aylanadi:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
