Vodík H je chemický prvek, jeden z nejběžnějších v našem vesmíru. Hmotnost vodíku jako prvku ve složení látek je 75 % z celkového obsahu atomů jiného typu. Je součástí nejdůležitějšího a životně důležitého spojení na planetě – vody. Charakteristickým rysem vodíku je také to, že je prvním prvkem v periodickém systému chemických prvků D. I. Mendělejeva.
Objevování a průzkum
První zmínky o vodíku v Paracelsových spisech se datují do šestnáctého století. Ale jeho izolaci od plynné směsi vzduchu a studium hořlavých vlastností provedl již v sedmnáctém století vědec Lemery. Vodíkem se důkladně zabýval anglický chemik, fyzik a přírodovědec Henry Cavendish, který experimentálně dokázal, že hmotnost vodíku je ve srovnání s jinými plyny nejmenší. V následujících fázích vývoje vědy s ním spolupracovalo mnoho vědců, zejména Lavoisier, který ho nazval „zrozením vody“.
Charakteristické podle pozice v PSHE
Prvek, který se otevřeperiodická tabulka D. I. Mendělejeva, je vodík. Fyzikální a chemické vlastnosti atomu vykazují určitou dualitu, protože vodík je současně přiřazen k první skupině, hlavní podskupině, pokud se chová jako kov a v procesu chemické reakce odevzdá jediný elektron, a sedmý - v případě úplného zaplnění valenčního obalu, tedy recepční negativní částice, která ji charakterizuje jako podobnou halogenům.
Vlastnosti elektronické struktury prvku
Vlastnosti atomu vodíku, komplexní látky, které je součástí, a nejjednodušší látka H2 jsou primárně určeny elektronovou konfigurací vodíku. Částice má jeden elektron se Z=(-1), který rotuje na své dráze kolem jádra, obsahující jeden proton s jednotkovou hmotností a kladným nábojem (+1). Jeho elektronická konfigurace je zapsána jako 1s1, což znamená přítomnost jedné negativní částice v úplně prvním a jediném s-orbitalu pro vodík.
Když je elektron odpojen nebo odevzdán a atom tohoto prvku má takovou vlastnost, že je příbuzný s kovy, získá se kationt. Ve skutečnosti je vodíkový iont pozitivní elementární částice. Proto se vodík bez elektronu nazývá jednoduše proton.
Fyzikální vlastnosti
Pokud stručně popíšeme fyzikální vlastnosti vodíku, pak je to bezbarvý, mírně rozpustný plyn s relativní atomovou hmotností rovnou 2, 14,5krát lehčím než vzduch, s teplotouzkapalnění -252,8 stupňů Celsia.
Ze zkušenosti snadno zjistíte, že H2 je nejjednodušší. K tomu stačí naplnit tři kuličky různými látkami - vodíkem, oxidem uhličitým, obyčejným vzduchem - a současně je uvolnit z ruky. Ten naplněný CO2 se dostane na zem rychleji než kdokoli jiný, poté nafouknutá vzduchová směs klesne dolů a ten obsahující H2 vystoupí ke stropu.
Malá hmotnost a velikost částic vodíku ospravedlňují jeho schopnost pronikat různými látkami. Na příkladu stejné koule je to snadné ověřit, za pár dní se sama vyfoukne, protože plyn prostě projde gumou. Vodík se také může hromadit ve struktuře některých kovů (palladium nebo platina) a odpařovat se z nich, když teplota stoupá.
Nízká rozpustnost vodíku se v laboratorní praxi využívá k jeho izolaci metodou vytěsňování vody. Fyzikální vlastnosti vodíku (tabulka níže obsahuje hlavní parametry) určují rozsah jeho použití a způsoby výroby.
| Parametr atomu nebo molekuly jednoduché látky | Význam |
| Atomová hmotnost (molární hmotnost) | 1,008 g/mol |
| Elektronická konfigurace | 1s1 |
| Krystalová mřížka | Šestihranný |
| Tepelná vodivost | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Hustota při n. y. | 0, 08987 g/l |
| Bod varu | -252, 76 °C |
| Specifická výhřevnost | 120, 9 106 J/kg |
| Bod tání | -259, 2 °C |
| Rozpustnost ve vodě | 18, 8ml/L |
Izotopové složení
Stejně jako mnoho dalších zástupců periodické soustavy chemických prvků má i vodík několik přirozených izotopů, tedy atomy se stejným počtem protonů v jádře, ale jiným počtem neutronů - částice s nulovým nábojem a jednotkou Hmotnost. Příklady atomů, které mají tuto vlastnost, jsou kyslík, uhlík, chlor, brom a další, včetně radioaktivních.
Fyzikální vlastnosti vodíku 1H, nejběžnější ze zástupců této skupiny, se výrazně liší od stejných vlastností svých protějšků. Liší se zejména vlastnosti látek, ve kterých jsou obsaženy. Existuje tedy obyčejná a deuterovaná voda, která ve svém složení obsahuje místo atomu vodíku s jediným protonem deuterium 2H - jeho izotop se dvěma elementárními částicemi: kladnou a nenabitou. Tento izotop je dvakrát těžší než běžný vodík, což vysvětluje zásadní rozdíl ve vlastnostech sloučenin, které tvoří. V přírodě je deuterium 3200krát vzácnější než vodík. Třetím zástupcem je tritium 3Н, v jádře má dva neutrony a jeden proton.
Metody získávání a výběru
Laboratorní a průmyslové metody výroby vodíku se velmi liší. Ano, v malém množstvíplyn se vyrábí primárně reakcemi zahrnujícími minerály, zatímco velkovýroba využívá ve větší míře organickou syntézu.
V laboratoři se používají následující chemické interakce:
- Reakce alkalických kovů a kovů alkalických zemin s vodou za vzniku alkálie a požadovaného plynu.
- Elektrolýza vodného roztoku elektrolytu, H2↑ se uvolňuje na anodě a kyslík se uvolňuje na katodě.
- Rozklad hydridů alkalických kovů vodou, produkty jsou alkalické a tedy plyn H2↑.
- Reakce zředěných kyselin s kovy za vzniku solí a H2↑.
- Působení alkálií na křemík, hliník a zinek také podporuje uvolňování vodíku souběžně s tvorbou komplexních solí.
V průmyslovém zájmu se plyn získává metodami jako:
- Tepelný rozklad metanu v přítomnosti katalyzátoru na jeho základní jednoduché látky (350 stupňů dosahuje hodnoty takového ukazatele jako je teplota) - vodík H2↑ a uhlík C.
- Procházení páry vody přes koks o teplotě 1000 stupňů Celsia za vzniku oxidu uhličitého CO2 a H2↑ (nejběžnější metoda).
- Konverze plynného metanu na niklovém katalyzátoru při teplotách dosahujících 800 stupňů.
- Vodík je vedlejší produkt elektrolýzy vodných roztoků chloridů draselných nebo sodných.
Chemickýinterakce: obecnosti
Fyzikální vlastnosti vodíku do značné míry vysvětlují jeho chování v reakčních procesech s tou či onou sloučeninou. Valence vodíku je 1, protože se nachází v první skupině v periodické tabulce a stupeň oxidace je jiný. Ve všech sloučeninách, kromě hydridů, je vodík v s.o.=(1+), v molekulách jako ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Molekula vodíkového plynu, vytvořená vytvořením zobecněného elektronového páru, se skládá ze dvou atomů a je energeticky poměrně stabilní, proto je za normálních podmínek poněkud inertní a při změně normálních podmínek vstupuje do reakcí. V závislosti na stupni oxidace vodíku ve složení jiných látek může působit jako oxidační činidlo i jako redukční činidlo.
Látky, se kterými reaguje a tvoří vodík
Elementární interakce za vzniku komplexních látek (často při zvýšených teplotách):
- Alkalické kovy a kovy alkalických zemin + vodík=hydrid.
- Halogen + H2=halogenovodík.
- Síra + vodík=sirovodík.
- Kyslík + H2=voda.
- Uhlík + vodík=metan.
- Dusík + H2=amoniak.
Interakce s komplexními látkami:
- Výroba syntézního plynu z oxidu uhelnatého a vodíku.
- Obnova kovů z jejich oxidů pomocí H2.
- Nasycení nenasycených alifatických látek vodíkemuhlovodíky.
Vodíková vazba
Fyzikální vlastnosti vodíku jsou takové, že mu v kombinaci s elektronegativním prvkem umožňují vytvořit zvláštní typ vazby se stejným atomem ze sousedních molekul, které mají nesdílené elektronové páry (například kyslík, dusík a fluor). Nejjasnějším příkladem, na kterém je lepší uvažovat o takovém jevu, je voda. Dá se říci, že je prošitý vodíkovými můstky, které jsou slabší než kovalentní nebo iontové, ale vzhledem k tomu, že jich je hodně, mají výrazný vliv na vlastnosti látky. Vodíková vazba je v podstatě elektrostatická interakce, která váže molekuly vody na dimery a polymery, což vede k jejímu vysokému bodu varu.
Vodík v minerálních sloučeninách
Složení všech anorganických kyselin zahrnuje proton - kationt atomu, jako je vodík. Látka, jejíž kyselý zbytek má oxidační stav větší než (-1), se nazývá vícesytná sloučenina. Obsahuje několik atomů vodíku, díky čemuž je disociace ve vodných roztocích vícestupňová. Každý následující proton se od zbytku kyseliny odděluje stále obtížněji. Kvantitativní obsah vodíků v médiu určuje jeho kyselost.
Vodík také obsahuje hydroxylové skupiny zásad. V nich je vodík spojen s atomem kyslíku, v důsledku toho je oxidační stav tohoto alkalického zbytku vždy roven (-1). Obsah hydroxylů v médiu určuje jeho zásaditost.
Aplikace v lidských činnostech
Lahve s látkou, stejně jako nádoby s jinými zkapalněnými plyny, jako je kyslík, mají specifický vzhled. Jsou natřeny tmavě zelenou barvou s jasně červeným nápisem „Hydrogen“. Plyn se čerpá do válce pod tlakem asi 150 atmosfér. Fyzikální vlastnosti vodíku, zejména lehkost plynného skupenství agregace, se využívají k jeho plnění do směsi s heliovými balónky, balónky atd.
Vodík, jehož fyzikální a chemické vlastnosti se lidé naučili využívat před mnoha lety, se v současnosti používá v mnoha průmyslových odvětvích. Většina jde na výrobu čpavku. Vodík se také podílí na výrobě kovů (hafnium, germanium, gallium, křemík, molybden, wolfram, zirkonium a další) z oxidů, působí v reakci jako redukční činidlo, kyseliny kyanovodíkové a chlorovodíkové, metylalkohol a umělá kapalina palivo. Potravinářský průmysl jej používá k přeměně rostlinných olejů na tuhé tuky.
Zjistilo chemické vlastnosti a použití vodíku v různých procesech hydrogenace a hydrogenace tuků, uhlí, uhlovodíků, olejů a topného oleje. S jeho pomocí se vyrábějí drahé kameny, žárovky, kují a svařují kovové výrobky pod vlivem kyslíkovo-vodíkového plamene.
