Prvok vodík - periodická tabuľka online
- Prvok v
Periodická tabuľka - Všeobecné informácie o prvku
- Všeobecné informácie o skupine
- Atómové vlastnosti
- Úpravy/fyzikálne vlastnosti
- Ionizácia
- termodynamika
- Oxidácia a redukcia
- Acidobázické správanie
- Zákon hromadnej akcie
- Izotopy
- distribúcia
- príbeh
- odkazy
1, vodík (H)
Prvok vodík:
Prirodzená tvorba vodíka (nukleosyntéza): Vodík je zďaleka najbežnejším prvkom vo vesmíre. Ihneď po Veľkom tresku všetka hmota pozostávala z vodíka (okrem hélia), zatiaľ čo ťažšie prvky sa formovali až v dôsledku procesov jadrovej fúzie vo hviezdach a ich výbuchov supernov na konci ich života. Podľa toho bude podiel vodíka v priebehu histórie vesmíru naďalej klesať na úkor hélia.
Existujú samozrejme tri typy atómov (= izotopy) vodíka:
Tu je to Protium (normálny alebo ľahký vodík, 1 H) najbežnejší typ atómu vodíka.
deutérium (tiež nazývaný „ťažký vodík“, obsahujúci 0,015% v zmesi prírodných izotopov, 2 H), na druhej strane, podobne ako hélium-3 alebo izotopy lítia a berýlia, pripomína skôr fragmenty väčších atómových jadier v dôsledku výbuchov supernov vyjadruje skutočnosť, že nie je veľmi používaný. Je to jeden zo štyroch izotopov, ktorý je stabilný s nepárnym počtom neutrónov aj protónov.
Okrem toho v prírode stále existuje 10 - 15% zmesi prírodných izotopov Trícium (tiež nazývaný „superťažký vodík“, 3 H), ktorý je tvorený voľnými neutrónmi, ktoré v dôsledku kozmického žiarenia narážajú na atómy dusíka vo vyšších vrstvách atmosféry:
Tvorba trícia z dusíka a voľných neutrónov:
| 14 N + 1 n → 12 C + 3 H + 4,015 MeV |
Trícium je rádioaktívne a s emisiou beta lúčov (voľné elektróny) sa rozpadá na hélium-3 s polčasom 12,3 rokov.
Výskyt vodíka: Vesmír je stále 75% vodíka. Tento podiel sa však pomaly, ale kontinuálne zvyšuje, najmä v prospech hélia, kyslíka a neónu.
Vodík je deviatym najbežnejším prvkom na Zemi. Je teda značne vyčerpaný v porovnaní s jeho výskytom na slnku (90%) a vo vesmíre. Súvisí to so skutočnosťou, že keď sa formovala Zem, iba malá časť pôvodne prítomného vodíka mohla byť chemicky viazaná na iné prvky (najmä kyslík) a veľká väčšina v relatívne krátkom čase difundovala do voľného priestoru ako elementárny vodík. Z rovnakého dôvodu sú vzácne plyny, ktoré sú chemicky inertné, tiež vyčerpané vo svojich pozemských výskytoch v porovnaní s ich množstvom vo vesmíre (s výnimkou argónu, pozri tam).
Najdôležitejšou zlúčeninou vodíka je jeho oxid, voda (H2O). To pokrýva 72% povrchu Zeme. Druhý najbežnejší výskyt vodíka je nepochybne v organických zlúčeninách prírody, ktoré pozostávajú prevažne z prvkov uhlík, vodík a kyslík. Okrem toho je dôležitý metán (ako najjednoduchší uhľovodík, CH4) ako zdroj fosílnej energie (zemný plyn). Počas hnilobných procesov sa tvoria aj vodíkové zlúčeniny: Sírovodík (H2), ktorý vonia po skazených vajciach, je extrémne jedovatý plyn, ktorý vzniká pri hnilobe bielkovín. Charakteristickým štipľavým zápachom amoniaku je dusíkatá zlúčenina vodíka (NH3), ktorá sa používa ako čistiaci prostriedok v domácnosti ako vodný roztok. Amoniak sa tiež produkuje, keď sa rozkladajú zvyšky rastlín alebo zvierat.
| Dôležité vodíkové usadeniny | ||
Voda [1] H2O. | Vzorka ropy [2] CnH2n + 2, n = 5-10 | Slnečný povrch [3] |
Výroba vodíka: Splyňovanie uhlia: Elementárny vodík sa technicky získava prechodom horúcej pary cez žeravý koks. Odtiaľ to pochádza Vodný plyn. Primárne vytvorený oxid uhoľnatý (CO) sa pomocou ďalšej vody katalýzou prevádza na vodík oxidom nikelnatým alebo oxidom chrómovým, pričom sa vytvára oxid uhličitý. Vymytím syntézneho plynu roztokom sódy alebo draslíka a následným premytím roztokom chloridu meďného je možné odstrániť CO2 a CO. Oddelí sa tiež sírovodík, ktorý sa tvorí zo síry obsiahnutej v uhlí.
C + H20 + 175,3 kJ/mol → CO + H2; Výroba vodného plynu
CO + H20 + 2,8 kJ → CO2 + H2; Reakcia posunu vodného plynu
C + 2 H2O + 178,1 kJ → CO2 + 2 H2; Celková odpoveď
Elektrochemicky z vody: Vodík sa dá tiež efektívne získať z vody elektrolýzou. Pretože vnútorná vodivosť čistej vody je veľmi nízka, používajú sa na to vhodné elektrolyty. Ako zvlášť vhodná sa ukázala elektrolýza 25% roztokov hydroxidu draselného pri teplote 70 až 90 ° C, ktoré sa elektrolyzujú pri prúdovej hustote 0,15 až 0,5 A/cm2 a napätí 1,9 V. Toto zastúpenie má účinnosť 80%. Na katóde sa draselné ióny vypúšťajú na záporne nabitú katódu a potom tvoria elementárny draslík. Tento okamžite reaguje s vodou späť za vzniku hydroxidu draselného a vodíka, ktoré stúpajú a môžu byť zachytené. Na anóde sa hydroxidové ióny vypúšťajú na kladne nabitú anódu za vzniku hydroxylových radikálov, ktoré okamžite reagujú na peroxid vodíka. To sa však rozpadne okamžite po vode a kyslíku. Kyslík je možné odvádzať a zhromažďovať ako vodík.
| Elektrolýza vody (zriedený roztok KOH): | |
| Katóda: | |
Konverziou základných kovov kyselinou: V laboratórnom meradle reakciou základných kovov s kyselinami. Napríklad vodík je možné získať zo zinku alebo hliníka pomocou kyseliny chlorovodíkovej v Kippovom prístroji.
Zastúpenie od metánu (parné reformovanie): V tomto prípade sa metán (alebo akýkoľvek iný alkán) a para premieňajú pri 900 ° C na nikel ako katalyzátor, pričom všetok viazaný vodík je možné získať reduktívne. Oxid uhoľnatý sa vyrába ako vedľajší produkt.
Z bromidu vápenatého a vody. V prvom kroku reaguje bromid vápenatý s vodou pri 750 ° C za vzniku oxidu vápenatého a plynného bromovodíka. Výsledný bromovodík sa pri 100 ° C prevedie na bromid ortuťnatý a elementárny vodík. Bromid ortuťnatý potom reaguje s oxidom vápenatým ďalej za vzniku bromidu vápenatého a oxidu ortuťnatého. Táto zmes pri zahrievaní vytvára späť ortuť a uvoľňuje kyslík. Nakoniec má ortuť a bromid vápenatý iba katalytický účinok.
4 HBr + 2 Hg -100 ° C → 2 HgBr2 + 2 H2 ↑
2 HgBr2 + 2 CaO -25 ° C → 2 HgO + 2 CaBr2
Zastúpenie pri katalýze chloridom železitým a chlórom: Za týmto účelom najskôr chlorid železitý reaguje s vodou, čím sa vytvorí oxid železitý, chlorovodík a elementárny vodík. Oxid železitý (II, III) potom reaguje ďalej s chlórom a kyselinou chlorovodíkovou na chlorid železitý, vodu a kyslík. V poslednom kroku sa vzniknutý chlorid železitý tepelne rozloží, čím sa znovu vytvorí chlorid železitý, ako aj chlór, ktorý je tiež dôležitý pre reakciu.
Opakovanou syntézou a rozkladom hydridu sodného: Hydrid sodný uvoľňuje vodík vo vode; na mol NaH sa získajú dva móly H2. Ak sa potom vodík znova kvantitatívne prevedie na sodík, na mol vodíka sa získajú 2 móly hydridu sodného. Množstvo vodíka sa môže zakaždým zdvojnásobiť opakovanou konverziou, pričom sa ako vedľajší produkt použije hydroxid sodný.
Chémia vodíka: Vodík sa vo svojich zlúčeninách vždy vyskytuje v oxidačných stavoch +1 (v porovnaní s elektronegatívnejšími partnermi, nekovy) alebo -1 (v porovnaní s elektropozitívnejšími partnermi, kovy).
Pretože vodík má vo svojom atómovom obale iba jeden elektrón, nemôže vytvárať kladné ióny, čo by znamenalo výskyt voľných protónov. Preto sú zlúčeniny so silne elektronegatívnymi atómami alebo molekulami vždy silne polárne atómové zlúčeniny. Týka sa to zlúčenín vodíka s kyslíkom, fluórom a dusíkom, ktoré majú silné dipóly kvôli vysokému rozdielu v EN a vytvárajú tak navzájom vodíkové mosty. Výsledkom je, že amoniak (NH3, nitrid vodíka), voda (H20, oxid vodíka) a fluorovodík (HF) majú oveľa vyššie teploty topenia a varu, ako by sa očakávalo od ich molekulovej hmotnosti.
S menej silnými elektronegatívnymi prvkami (fosfor, uhlík, síra, chlór, bróm, jód) vytvára vodík nízkotaviteľné a vriace zlúčeniny, v ktorých je mierne pozitívne polarizovaný.
V porovnaní s ešte silnejšie elektropozitívnymi prvkami vznikajú kovalentne vybudované hydridy, v ktorých má vodík skôr negatívny čiastočný náboj. Tieto zlúčeniny sú buď prchavé alebo vysoko polymérne.
V porovnaní s alkalickými kovmi a kovmi alkalických zemín, ako aj s európskymi, yterbiovými a nobelovými soľami, sa tvoria hydridy podobné soliam, v ktorých sú prítomné „skutočné“ H - anióny.
Zliatiny podobné kovalentne zabudovaným hydridom sa tvoria s väčšinou ostatných kovov, v ktorých má vodík negatívny formálny náboj.
Vodík netvorí so vzácnymi plynmi žiadne zlúčeniny.
Zlúčeniny vodíka sú podrobnejšie opísané na príslušných stránkach prvkov.
Fyzikálne vlastnosti vodíka a jeho zlúčenín: Pretože vodík s protónom je najjednoduchší atóm a je dvojatómový, je najľahší zo všetkých prvkov.
Vodík (ako hélium) sa správa takmer ako ideálny plyn.
Použitie vodíka a jeho zlúčenín:
- Vodík ako palivo: Pretože elementárny vodík horí s kyslíkom za vzniku vody, stáva sa čoraz dôležitejším ako palivo šetrné k životnému prostrediu.
- Zvárací plyn: V kombinácii s kyslíkom je možné pri spaľovaní dosiahnuť teplotu 3000 ° C, a preto sa pri určitých vysokoteplotných aplikáciách používa ako zvárací plyn.
- Sacharidy: S rastúcim nedostatkom zdrojov zemného plynu a ropy sa stáva čoraz dôležitejšia hydrogenácia uhľohydrátov. V tomto procese sa uhlík premieňa na uhľovodíky pri vyšších teplotách a tlakoch a pri použití katalyzátorov s vodíkom.
Použitie dôležitých zlúčenín vodíka:
- voda Okrem svojho zásadného biologického významu je tiež najdôležitejšou látkou v technológii a chémii. Mnoho reakcií prebieha vo vodnom prostredí.
- minerálny olej je stále najdôležitejšou východiskovou surovinou organických syntéz na výrobu mnohých produktov (pozri tiež uhlík).
Zvlnenie: [1] Vlastný obrázok. Tento obrázok je možné voľne používať v súlade s podmienkami licencie Creative Commons. Pri používaní prosím nastavte odkaz na môj web.
[2] Zdroj obrázkov: Wikimedia Commons. Autor: Markus Schweiss. Obrázok je vydaný za podmienok licencie Creative Commons.
[3] Zdroj obrázkov: NASA. Pokiaľ nie je uvedené inak, obraz ako dielo agentúry v USA je voľným dielom.