Ūdeņradis ir gāze. Ūdeņradis - kas ir šī viela? Ūdeņraža ķīmiskās un fizikālās īpašības

Periodiskajā sistēmā tai ir sava īpaša pozīcija, kas atspoguļo tās īpašības un runā par tā elektronisko struktūru. Tomēr starp visiem ir viens īpašs atoms, kas vienlaikus aizņem divas šūnas. Tas atrodas divās elementu grupās, kas savās izpausmēs ir pilnīgi pretējas. Tas ir ūdeņradis. Šīs īpašības padara to unikālu.

Ūdeņradis ir ne tikai elements, bet arī vienkārša viela, kā arī daudzu sarežģītu savienojumu neatņemama sastāvdaļa, biogēns un organogēns elements. Tāpēc mēs sīkāk apsveram tā īpašības un īpašības.

Ūdeņradis kā ķīmiskais elements

Ūdeņradis ir galvenās apakšgrupas pirmās grupas elements, kā arī pirmajā mazajā periodā galvenās apakšgrupas septītās grupas elements. Šis periods sastāv tikai no diviem atomiem: hēlija un elementa, ko mēs apsveram. Aprakstīsim ūdeņraža stāvokļa galvenās iezīmes periodiskajā sistēmā.

  1. Ūdeņraža kārtas numurs ir 1, elektronu skaits ir vienāds, attiecīgi, protonu skaits ir vienāds. Atomu masa ir 1,00795. Šim elementam ir trīs izotopi ar masas skaitļiem 1, 2, 3. Tomēr katra no tiem īpašības ir ļoti atšķirīgas, jo ūdeņraža masas pieaugums pat par vienu ir uzreiz divkāršs.
  2. Fakts, ka tas satur tikai vienu elektronu no ārpuses, ļauj tam veiksmīgi parādīt gan oksidējošās, gan reducējošās īpašības. Turklāt pēc elektrona ziedošanas tā paliek brīva orbitāle, kas piedalās ķīmisko saišu veidošanā saskaņā ar donora-akceptora mehānismu.
  3. Ūdeņradis ir spēcīgs reducētājs. Tāpēc galvenās apakšgrupas pirmā grupa tiek uzskatīta par tās galveno vietu, kur tā ved visaktīvākos metālus - sārmus.
  4. Tomēr, mijiedarbojoties ar spēcīgiem reducētājiem, piemēram, metāliem, tas var būt arī oksidētājs, kas pieņem elektronu. Šos savienojumus sauc par hidrīdiem. Pamatojoties uz to, tas vada halogēnu apakšgrupu, ar kuru tā ir līdzīga.
  5. Tā kā ūdeņradis ir ļoti mazs, tas tiek uzskatīts par vieglāko elementu. Turklāt tā blīvums ir arī ļoti zems, tāpēc tas ir arī viegluma etalons.

Tādējādi ir acīmredzams, ka ūdeņraža atoms ir pilnīgi unikāls, atšķirībā no visiem citiem elementiem. Līdz ar to arī tās īpašības ir īpašas, un ļoti svarīgas ir izveidotās vienkāršās un sarežģītās vielas. Apskatīsim tos sīkāk.

vienkārša viela

Ja mēs runājam par šo elementu kā molekulu, tad jāsaka, ka tas ir divatomisks. Tas ir, ūdeņradis (vienkārša viela) ir gāze. Tā empīriskā formula tiks uzrakstīta kā H 2, bet grafiskā - ar singlu sigma saite H-H. Saišu veidošanās mehānisms starp atomiem ir kovalents nepolārs.

  1. Metāna tvaika reformēšana.
  2. Ogļu gazifikācija – process ietver ogļu uzsildīšanu līdz 1000 0 C, kā rezultātā veidojas ūdeņradis un ogles ar augstu oglekļa saturu.
  3. Elektrolīze. Šo metodi var izmantot tikai dažādu sāļu ūdens šķīdumiem, jo ​​kausēšana neizraisa ūdens izlādi katodā.

Laboratorijas metodes ūdeņraža iegūšanai:

  1. Metālu hidrīdu hidrolīze.
  2. Atšķaidītu skābju iedarbība uz aktīvajiem metāliem un vidēja aktivitāte.
  3. Sārmu un sārmzemju metālu mijiedarbība ar ūdeni.

Lai savāktu iegūto ūdeņradi, mēģene ir jātur otrādi. Galu galā šo gāzi nevar savākt tāpat kā, piemēram, oglekļa dioksīdu. Tas ir ūdeņradis, tas ir daudz vieglāks par gaisu. Tas ātri iztvaiko un eksplodē, sajaucoties ar gaisu lielos daudzumos. Tāpēc caurule ir jāapgriež otrādi. Pēc iepildīšanas tas jāaizver ar gumijas aizbāzni.

Lai pārbaudītu savāktā ūdeņraža tīrību, uz kakla jānes aizdedzināts sērkociņš. Ja kokvilna ir nedzirdīga un klusa, tad gāze ir tīra, ar minimāliem gaisa piemaisījumiem. Ja tas ir skaļš un svilpo, tas ir netīrs, ar lielu svešķermeņu īpatsvaru.

Lietošanas jomas

Dedzinot ūdeņradi, izdalās tik liels enerģijas (siltuma) daudzums, ka šī gāze tiek uzskatīta par visrentablāko degvielu. Turklāt tas ir videi draudzīgs. Tomēr tā izmantošana šajā jomā pašlaik ir ierobežota. Tas ir saistīts ar nepārdomātajām un neatrisinātajām tīra ūdeņraža sintezēšanas problēmām, kas būtu piemērotas izmantošanai kā degviela reaktoros, dzinējos un pārnēsājamās ierīcēs, kā arī dzīvojamo māju apkures katlos.

Galu galā šīs gāzes iegūšanas metodes ir diezgan dārgas, tāpēc vispirms ir jāizstrādā īpaša sintēzes metode. Tāds, kas ļaus saņemt preci liels apjoms un par minimālām izmaksām.

Ir vairākas galvenās jomas, kurās tiek izmantota gāze, kuru mēs apsveram.

  1. Ķīmiskās sintēzes. Pamatojoties uz hidrogenēšanu, iegūst ziepes, margarīnus un plastmasu. Piedaloties ūdeņradim, tiek sintezēts metanols un amonjaks, kā arī citi savienojumi.
  2. Pārtikas rūpniecībā - kā piedeva E949.
  3. Aviācijas nozare (raķešu būve, lidmašīnu būve).
  4. Enerģētikas nozare.
  5. Meteoroloģija.
  6. Videi draudzīga tipa degviela.

Acīmredzot ūdeņradis ir tikpat svarīgs, cik daudz dabā ir. Vēl lielāka loma ir dažādiem tā veidotajiem savienojumiem.

Ūdeņraža savienojumi

Tās ir sarežģītas vielas, kas satur ūdeņraža atomus. Ir vairāki galvenie šādu vielu veidi.

  1. Ūdeņraža halogenīdi. Vispārējā formula ir HHal. Īpaši svarīgs starp tiem ir hlorūdeņradis. Tā ir gāze, kas izšķīst ūdenī, veidojot sālsskābes šķīdumu. Šo skābi plaši izmanto gandrīz visās ķīmiskajās sintēzēs. Un gan organiskas, gan neorganiskas. Ūdeņraža hlorīds ir savienojums, kura empīriskā formula ir HCL un ir viens no lielākajiem gada ražošanas apjoma ziņā mūsu valstī. Ūdeņraža halogenīdi ietver arī ūdeņraža jodīdu, ūdeņraža fluorīdu un ūdeņraža bromīdu. Visi no tiem veido atbilstošās skābes.
  2. Gaistošas ​​Gandrīz visas no tām ir diezgan indīgas gāzes. Piemēram, sērūdeņradis, metāns, silāns, fosfīns un citi. Tomēr tie ir ļoti viegli uzliesmojoši.
  3. Hidrīdi ir savienojumi ar metāliem. Tie pieder pie sāļu klases.
  4. Hidroksīdi: bāzes, skābes un amfotērie savienojumi. To sastāvs obligāti ietver ūdeņraža atomus, vienu vai vairākus. Piemērs: NaOH, K 2, H 2 SO 4 un citi.
  5. Ūdeņraža hidroksīds. Šis savienojums ir labāk pazīstams kā ūdens. Vēl viens ūdeņraža oksīda nosaukums. Empīriskā formula izskatās šādi - H2O.
  6. Ūdeņraža peroksīds. Tas ir spēcīgākais oksidētājs, kura formula ir H 2 O 2.
  7. Daudzi organiskie savienojumi: ogļūdeņraži, olbaltumvielas, tauki, lipīdi, vitamīni, hormoni, ēteriskās eļļas un citi.

Acīmredzot elementa savienojumu daudzveidība, kuru mēs apsveram, ir ļoti liela. Tas vēlreiz apliecina tā lielo nozīmi dabai un cilvēkam, kā arī visām dzīvajām būtnēm.

ir labākais šķīdinātājs

Kā minēts iepriekš, šīs vielas vispārpieņemtais nosaukums ir ūdens. Sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa, kas savstarpēji saistīti ar kovalentām polārām saitēm. Ūdens molekula ir dipols, kas izskaidro daudzas tās īpašības. Jo īpaši tas, ka tas ir universāls šķīdinātājs.

Tieši ūdens vidē notiek gandrīz visi ķīmiskie procesi. Ar ūdeņraža oksīda palīdzību tiek veiktas arī iekšējās plastmasas un enerģijas metabolisma reakcijas dzīvos organismos.

Ūdens tiek uzskatīts par vissvarīgāko vielu uz planētas. Ir zināms, ka neviens dzīvs organisms nevar dzīvot bez tā. Uz Zemes tas spēj pastāvēt trīs agregācijas stāvokļos:

  • šķidrums;
  • gāze (tvaiks);
  • ciets (ledus).

Atkarībā no ūdeņraža izotopa, kas ir daļa no molekulas, ir trīs veidu ūdens.

  1. Gaisma vai protium. Izotops ar masas skaitli 1. Formula ir H 2 O. Tā ir parastā forma, ko izmanto visi organismi.
  2. Deitērijs vai smagais, tā formula ir D 2 O. Satur izotopu 2 ​​H.
  3. Super smags vai tritijs. Formula izskatās kā T3O, izotops ir 3H.

Svaiga protium ūdens rezerves uz planētas ir ļoti svarīgas. Daudzās valstīs jau tā trūkst. Tiek izstrādātas metodes sālsūdens attīrīšanai, lai iegūtu dzeramo ūdeni.

Ūdeņraža peroksīds ir universāls līdzeklis

Šis savienojums, kā minēts iepriekš, ir lielisks oksidētājs. Tomēr ar spēcīgiem pārstāvjiem tas var uzvesties arī kā reducētājs. Turklāt tam ir izteikta baktericīda iedarbība.

Vēl viens šī savienojuma nosaukums ir peroksīds. Tieši šajā formā to izmanto medicīnā. Attiecīgā savienojuma kristāliskā hidrāta 3% šķīdums ir medicīnisks medikaments, ko izmanto mazu brūču ārstēšanai, lai tās attīrītu. Tomēr ir pierādīts, ka šajā gadījumā brūču dzīšana laika gaitā palielinās.

Tāpat ūdeņraža peroksīdu izmanto raķešu degvielā, rūpniecībā dezinfekcijai un balināšanai, kā putotāju atbilstošu materiālu (piemēram, putu) ražošanai. Turklāt peroksīds palīdz tīrīt akvārijus, balināt matus un balināt zobus. Taču tajā pašā laikā tas kaitē audiem, tāpēc speciālisti to neiesaka šim nolūkam.

Ūdeņradis

ŪDEŅRADS-a; m.Ķīmiskais elements (H), viegla, bezkrāsaina un bez smaržas gāze, kas savienojas ar skābekli, veidojot ūdeni.

◁ Ūdeņradis, th, th. V savienojumi. V baktērijas. V-tā bumba(milzīga iznīcinoša spēka bumba, kuras sprādzienbīstamās iedarbības pamatā ir kodoltermiskā reakcija). Ūdeņraža, th, th.

ūdeņradis

(lat. Hidrogēnijs), VII grupas ķīmiskais elements periodiska sistēma. Dabā ir divi stabili izotopi (protijs un deitērijs) un viens radioaktīvais izotops (tritijs). Molekula ir diatomiska (H 2). Gāze bez krāsas un smaržas; blīvums 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Tas apvienojas ar daudziem elementiem, veidojot ūdeni ar skābekli. Visizplatītākais elements kosmosā; veido (plazmas veidā) vairāk nekā 70% no Saules un zvaigžņu masas, lielāko daļu starpzvaigžņu vides gāzu un miglāju. Ūdeņraža atoms ir daļa no daudzām skābēm un bāzēm, vairuma organisko savienojumu. Tos izmanto amonjaka, sālsskābes ražošanā, tauku hidrogenēšanai u.c., metināšanai un metālu griešanai. Daudzsološs kā degviela (sk. Ūdeņraža enerģija).

ŪDEŅRADS

ŪDEŅRADS (lat. Hydrogenium), H, ķīmiskais elements ar atomskaitli 1, atommasa 1,00794. Ūdeņraža ķīmiskais simbols H mūsu valstī tiek lasīts kā "pelni", jo šis burts tiek izrunāts franču valodā.
Dabiskais ūdeņradis sastāv no divu stabilu nuklīdu maisījuma (cm. NUKLĪDS) ar masas skaitļiem 1,007825 (99,985% maisījumā) un 2,0140 (0,015%). Turklāt dabiskajā ūdeņradi vienmēr ir neliels daudzums radioaktīvā nuklīda, tritija. (cm. TRICIJA) 3 H (pusperiods T 1/2 12,43 gadi). Tā kā ūdeņraža atoma kodolā ir tikai 1 protons (atoma kodolā nevar būt mazāk par protoniem), dažkārt tiek teikts, ka ūdeņradis veido D. I. Mendeļejeva periodiskās sistēmas dabisko apakšējo robežu (lai gan elements pats ūdeņradis atrodas augšējās daļas tabulās). Elements ūdeņradis atrodas periodiskās tabulas pirmajā periodā. Tas pieder arī pie 1. grupas (sārmu metālu IA grupa (cm. SĀRMU METĀLI)), un 7. grupai (VIA halogēnu grupa (cm. HALOGĒNI)).
Atomu masas ūdeņraža izotopos ļoti atšķiras (vairākas reizes). Tas izraisa ievērojamas atšķirības to uzvedībā fizikālajos procesos (destilācija, elektrolīze utt.) un noteiktas ķīmiskās atšķirības (viena elementa izotopu uzvedības atšķirības sauc par izotopu iedarbību, ūdeņradim izotopu ietekme ir visnozīmīgākā). Tāpēc atšķirībā no visu pārējo elementu izotopiem ūdeņraža izotopiem ir īpaši simboli un nosaukumi. Ūdeņradi ar masas skaitli 1 sauc par vieglo ūdeņradi jeb protiju (lat. Protium, no grieķu protos — pirmais), apzīmē ar simbolu H, un tā kodolu sauc par protonu. (cm. PROTONS (elementārdaļiņa)), simbols r. Ūdeņradi ar masas skaitli 2 sauc par smago ūdeņradi, deitēriju (cm. DEITĒRIJS)(latīņu Deuterium, no grieķu valodas deuteros - otrais), tā apzīmēšanai tiek izmantoti simboli 2 H vai D (lasīt "de"), kodols d ir deuterons. Radioaktīvo izotopu ar masas skaitli 3 sauc par supersmago ūdeņradi jeb tritiju (lat. Tritum, no grieķu tritos — trešais), simbols 2 H vai T (lasi "tie"), kodols t ir tritons.
Neitrāla neierosināta ūdeņraža atoma viena elektronu slāņa konfigurācija 1 s 1 . Savienojumos tas uzrāda oksidācijas pakāpi +1 un retāk -1 (I valence). Neitrālā ūdeņraža atoma rādiuss ir 0,024 nm. Atoma jonizācijas enerģija ir 13,595 eV, elektronu afinitāte ir 0,75 eV. Pēc Polinga skalas ūdeņraža elektronegativitāte ir 2,20. Ūdeņradis ir viens no nemetāliem.
Brīvā veidā tā ir viegla, uzliesmojoša gāze bez krāsas, smaržas un garšas.
Atklājumu vēsture
Deggāzes izdalīšanās skābju un metālu mijiedarbības laikā tika novērota 16. un 17. gadsimtā ķīmijas kā zinātnes veidošanās rītausmā. Slavenais angļu fiziķis un ķīmiķis G. Kavendišs (cm. Kavendišs Henrijs) 1766. gadā viņš pētīja šo gāzi un nosauca to par "degošu gaisu". Dedzinot, "degošs gaiss" deva ūdeni, bet Kavendiša pieturēšanās pie flogistona teorijas (cm. PHLOGISTONS) neļāva viņam izdarīt pareizus secinājumus. Franču ķīmiķis A. Lavuazjē (cm. Lavuāzis Antuāns Lorāns) kopā ar inženieri J. Meunier (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), izmantojot īpašus gazometrus, 1783. gadā veica ūdens sintēzi un pēc tam tās analīzi, sadalot ūdens tvaikus ar karstu dzelzi. Tādējādi viņš konstatēja, ka "degošs gaiss" ir daļa no ūdens un to var iegūt no tā. 1787. gadā Lavuazjē nonāca pie secinājuma, ka "degošs gaiss" ir vienkārša viela un tāpēc pieder pie ķīmisko elementu skaita. Viņš deva tam nosaukumu ūdeņradis (no grieķu hydor - ūdens un gennao - dzemdēt) - "dzemdēt ūdeni". Ūdens sastāva noteikšana pielika punktu "flogistona teorijai". Krievu nosaukumu "ūdeņradis" ierosināja ķīmiķis M.F. Solovjovs (cm. SOLOVJEVS Mihails Fedorovičs) 1824. gadā. 18. un 19. gadsimta mijā tika konstatēts, ka ūdeņraža atoms ir ļoti viegls (salīdzinot ar citu elementu atomiem), un ūdeņraža atoma svars (masa) tika ņemts par salīdzināšanas vienību. elementu atomu masas. Ūdeņraža atoma masai tika piešķirta vērtība, kas vienāda ar 1.
Atrodoties dabā
Ūdeņradis veido aptuveni 1% no zemes garozas masas (10. vieta starp visiem elementiem). Ūdeņradis brīvā formā uz mūsu planētas praktiski nekad nav sastopams (tā pēdas ir atrodamas atmosfēras augšējos slāņos), taču ūdens sastāvā tas ir izplatīts gandrīz visur uz Zemes. Elements ūdeņradis ir dzīvo organismu organisko un neorganisko savienojumu, dabasgāzes, naftas, akmeņogļu sastāvdaļa. To satur, protams, ūdens sastāvā (apmēram 11% no svara), dažādos dabīgos kristāliskajos hidrātos un minerālos, kas satur vienu vai vairākas OH hidroksogrupas.
Ūdeņradis kā elements dominē Visumā. Tas veido apmēram pusi no Saules un citu zvaigžņu masas, tas atrodas vairāku planētu atmosfērā.
Kvīts
Ūdeņradi var iegūt dažādos veidos. Rūpniecībā šim nolūkam izmanto dabasgāzes, kā arī gāzes, kas iegūtas naftas pārstrādē, koksēšanā un ogļu un citu kurināmo gazifikācijas procesā. Ražojot ūdeņradi no dabasgāzes (galvenais komponents ir metāns), tiek veikta tā katalītiskā mijiedarbība ar ūdens tvaikiem un nepilnīga oksidēšana ar skābekli:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 un CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
Ūdeņraža atdalīšana no koksa gāzes un rafinēšanas gāzēm balstās uz to sašķidrināšanu dziļas dzesēšanas laikā un atdalīšanu no gāzu maisījuma, kas ir vieglāk sašķidrināmas nekā ūdeņradis. Lētas elektrības klātbūtnē ūdeņradi iegūst ar ūdens elektrolīzi, laižot strāvu caur sārmu šķīdumiem. Laboratorijas apstākļos ūdeņradi viegli iegūst metālu mijiedarbībā ar skābēm, piemēram, cinku ar sālsskābi.
Fiziskā un Ķīmiskās īpašības
Normālos apstākļos ūdeņradis ir viegla (blīvums normālos apstākļos 0,0899 kg / m 3) bezkrāsaina gāze. Kušanas temperatūra -259,15 °C, viršanas temperatūra -252,7 °C. Šķidrā ūdeņraža (viršanas temperatūrā) blīvums ir 70,8 kg/m 3 un tas ir vieglākais šķidrums. Standarta elektroda potenciāls H 2 / H - ūdens šķīdumā tiek pieņemts vienāds ar 0. Ūdeņradis slikti šķīst ūdenī: 0 ° C temperatūrā šķīdība ir mazāka par 0,02 cm 3 / ml, bet tas labi šķīst dažos metālos. (sūklis dzelzs un citi), īpaši labi - metāliskajā pallādijā (apmēram 850 tilpumi ūdeņraža 1 tilpumā metāla). Ūdeņraža sadegšanas siltums ir 143,06 MJ/kg.
Eksistē divatomisku H 2 molekulu veidā. H 2 disociācijas konstante atomos 300 K temperatūrā ir 2,56 10 -34. H 2 molekulas disociācijas enerģija atomos ir 436 kJ/mol. Attālums starp kodoliem H 2 molekulā ir 0,07414 nm.
Tā kā katra H atoma kodolam, kas ir daļa no molekulas, ir savs spins (cm. SPIN), tad molekulārais ūdeņradis var būt divos veidos: ortoūdeņraža formā (o-H 2) (abiem spiniem ir vienāda orientācija) un paraūdeņraža formā (p-H 2) (spiniem ir dažādas orientācijas). Normālos apstākļos parastais ūdeņradis ir 75% o-H2 un 25% p-H2 maisījums. P- un o-H 2 fizikālās īpašības nedaudz atšķiras viena no otras. Tādējādi, ja viršanas temperatūra tīrs o-n 2 20,45 K, tad tīrs p-H 2 - 20,26 K. O-H 2 pārveidošanos par p-H 2 pavada 1418 J / mol siltuma izdalīšanās.
Zinātniskajā literatūrā vairākkārt ir apgalvots, ka augsts spiediens(virs 10 GPa) un zemā temperatūrā (apmēram 10 K un zemāk) cietais ūdeņradis, kas parasti kristalizējas sešstūra molekulas tipa režģī, var pārvērsties vielā ar metāliskām īpašībām, iespējams, pat supravadītājā. Tomēr joprojām nav viennozīmīgu datu par šādas pārejas iespējamību.
Augsta izturība ķīmiskā saite starp atomiem H 2 molekulā (kas, piemēram, izmantojot molekulāro orbitāļu metodi, ir izskaidrojams ar to, ka šajā molekulā elektronu pāris atrodas saistīšanas orbitālē, un atslābinošā orbitāle nav apdzīvota ar elektroniem) noved pie tā, ka istabas temperatūrā gāzveida ūdeņradis ir ķīmiski neaktīvs. Tātad, bez karsēšanas, vienkārši sajaucot, ūdeņradis reaģē (ar sprādzienu) tikai ar gāzveida fluoru:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
Ja ūdeņraža un hlora maisījumu istabas temperatūrā apstaro ar ultravioleto gaismu, tad tiek novērota tūlītēja hlorūdeņraža HCl veidošanās. Ūdeņraža reakcija ar skābekli notiek ar sprādzienu, ja šo gāzu maisījumā tiek ievadīts katalizators, metālisks palādijs (vai platīns). Aizdedzinot, veidojas ūdeņraža un skābekļa maisījums (tā sauktā sprādzienbīstamā gāze (cm. SPRĀDZĪGA GĀZE)) eksplodē, un eksplozija var notikt maisījumos, kuros ūdeņraža saturs ir no 5 līdz 95 tilpuma procentiem. Tīrs ūdeņradis gaisā vai tīrā skābeklī deg klusi, izdalot lielu siltuma daudzumu:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Ja ūdeņradis mijiedarbojas ar citiem nemetāliem un metāliem, tad tikai noteiktos apstākļos (karsēšana, augsts spiediens, katalizatora klātbūtne). Tādējādi ūdeņradis atgriezeniski reaģē ar slāpekli plkst augsts asinsspiediens(20-30 MPa un vairāk) un 300-400 ° C temperatūrā katalizatora - dzelzs klātbūtnē:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
Tāpat tikai karsējot, ūdeņradis reaģē ar sēru, veidojot sērūdeņradi H 2 S, ar bromu - veidojot bromūdeņradi HBr, ar jodu - veidojot jodūdeņradi HI. Ūdeņradis reaģē ar akmeņoglēm (grafītu), veidojot dažāda sastāva ogļūdeņražu maisījumu. Ūdeņradis tieši neiedarbojas ar boru, silīciju un fosforu, šo elementu savienojumi ar ūdeņradi tiek iegūti netieši.
Sildot, ūdeņradis spēj reaģēt ar sārmu, sārmzemju metāliem un magniju, veidojot savienojumus ar jonu saites raksturu, kas satur ūdeņradi oksidācijas stāvoklī –1. Tātad, karsējot kalciju ūdeņraža atmosfērā, veidojas sāls līdzīgs hidrīds ar sastāvu CaH 2. Polimēru alumīnija hidrīdu (AlH 3) x - vienu no spēcīgākajiem reducētājiem - iegūst netieši (piemēram, izmantojot alumīnija organiskos savienojumus). Ar daudziem pārejas metāliem (piemēram, cirkoniju, hafniju utt.) ūdeņradis veido dažāda sastāva savienojumus (cietus šķīdumus).
Ūdeņradis spēj reaģēt ne tikai ar daudzām vienkāršām, bet arī sarežģītām vielām. Pirmkārt, jāatzīmē ūdeņraža spēja reducēt daudzus metālus no to oksīdiem (piemēram, dzelzi, niķeli, svinu, volframu, varu utt.). Tātad, karsējot līdz 400–450 ° C un augstākai temperatūrai, dzelzi reducē ūdeņradis no jebkura tā oksīda, piemēram:
Fe2O3 + 3H2 \u003d 2Fe + 3H2O.
Jāņem vērā, ka tikai metālus, kas atrodas standarta potenciālu virknē ārpus mangāna, var reducēt no oksīdiem ar ūdeņradi. Aktīvāki metāli (tostarp mangāns) netiek reducēti par metālu no oksīdiem.
Ūdeņradis spēj pievienot divkāršu vai trīskāršu saiti daudziem organiskiem savienojumiem (tās ir tā sauktās hidrogenēšanas reakcijas). Piemēram, niķeļa katalizatora klātbūtnē var veikt etilēna C 2 H 4 hidrogenēšanu un veidojas etāns C 2 H 6:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
Oglekļa monoksīda (II) un ūdeņraža mijiedarbība rūpniecībā rada metanolu:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
Savienojumos, kuros ūdeņraža atoms ir savienots ar elektronnegatīvāka elementa E atomu (E = F, Cl, O, N), starp molekulām veidojas ūdeņraža saites. (cm.ŪDEŅRAŽA SAITE)(divi viena vai divu dažādu elementu E atomi ir savstarpēji saistīti caur H atomu: E "... N ... E"", un visi trīs atomi atrodas uz vienas taisnas līnijas.) Šādas saites pastāv starp molekulām. ūdens, amonjaka, metanola utt., kas izraisa ievērojamu šo vielu viršanas temperatūras paaugstināšanos, iztvaikošanas siltuma palielināšanos utt.
Pieteikums
Ūdeņradi izmanto amonjaka NH 3, hlorūdeņraža HCl, metanola CH 3 OH sintēzē, dabisko ogļūdeņražu hidrokrekingā (krekingā ūdeņraža atmosfērā), kā reducētāju noteiktu metālu ražošanā. hidrogenēšana (cm. HIDROGENĒŠANA) dabīgās augu eļļas iegūst cietos taukus – margarīnu. Šķidrais ūdeņradis tiek izmantots kā raķešu degviela un arī kā dzesēšanas šķidrums. Metināšanā izmanto skābekļa un ūdeņraža maisījumu.
Savulaik tika ierosināts, ka tuvākajā nākotnē par galveno enerģijas ieguves avotu kļūs ūdeņraža sadegšanas reakcija, un ūdeņraža enerģija aizstās tradicionālos enerģijas ieguves avotus (ogles, naftu u.c.). Tajā pašā laikā tika pieņemts, ka ūdeņraža ražošanai plašā mērogā būtu iespējams izmantot ūdens elektrolīzi. Ūdens elektrolīze ir diezgan energoietilpīgs process, un šobrīd rūpnieciskā mērogā elektrolīzes ceļā iegūt ūdeņradi ir neizdevīgi. Bet bija paredzēts, ka elektrolīze balstīsies uz vidējas temperatūras (500-600 ° C) siltuma izmantošanu, kas notiek lielos daudzumos atomelektrostaciju darbības laikā. Šis siltums ir ierobežots pielietojums, un iespēja ar tā palīdzību iegūt ūdeņradi atrisinātu gan ekoloģijas problēmu (ūdeņradi sadedzinot gaisā, veidojas minimāls videi kaitīgo vielu daudzums), gan vidējas temperatūras izmantošanas problēmu. karstums. Tomēr pēc Černobiļas katastrofas attīstība atomenerģija koagulē visur, tā ka norādītais enerģijas avots kļūst nepieejams. Tāpēc ūdeņraža kā enerģijas avota plašas izmantošanas perspektīvas joprojām mainās vismaz līdz 21. gadsimta vidum.
Aprites iezīmes
Ūdeņradis nav indīgs, taču, rīkojoties ar to, pastāvīgi jārēķinās ar tā augsto aizdegšanās un sprādzienbīstamību, un ūdeņraža sprādzienbīstamība palielinās, jo gāzei ir augsta spēja izkliedēties pat caur dažiem cietiem materiāliem. Pirms jebkādu karsēšanas darbību uzsākšanas ūdeņraža atmosfērā, jāpārliecinās, vai tā ir tīra (aizdedzinot ūdeņradi otrādi apgrieztā mēģenē, skaņai jābūt blāvai, nevis riešanai).
Bioloģiskā loma
Ūdeņraža bioloģisko nozīmi nosaka tas, ka tas ir daļa no ūdens molekulām un visām svarīgākajām dabisko savienojumu grupām, ieskaitot olbaltumvielas, nukleīnskābes, lipīdi, ogļhidrāti. Apmēram 10% no dzīvo organismu masas ir ūdeņradis. Ūdeņraža spējai veidot ūdeņraža saiti ir izšķiroša nozīme proteīnu telpiskās kvartārās struktūras uzturēšanā, kā arī komplementaritātes principa īstenošanā. (cm. PAPILDINĀJUMS) nukleīnskābju uzbūvē un funkcijās (tas ir, ģenētiskās informācijas uzglabāšanā un ieviešanā), kopumā "atpazīšanas" īstenošanā molekulārā līmenī. Ūdeņradis (H + jons) piedalās organisma svarīgākajos dinamiskajos procesos un reakcijās - bioloģiskajā oksidācijā, kas nodrošina dzīvās šūnas ar enerģiju, augu fotosintēzē, biosintēzes reakcijās, slāpekļa fiksācijā un baktēriju fotosintēzē, skābes uzturēšanā. bāzes līdzsvars un homeostāze (cm. homeostāze), membrānas transportēšanas procesos. Tādējādi kopā ar skābekli un oglekli ūdeņradis veido dzīvības parādību strukturālo un funkcionālo pamatu.


enciklopēdiskā vārdnīca. 2009 .

Sinonīmi:

Skatiet, kas ir "ūdeņradis" citās vārdnīcās:

    Nuklīdu tabula Galvenā informācija Nosaukums, simbols Ūdeņradis 4, 4H Neitrons 3 Protons 1 Nuklīda īpašības Atommasa 4,027810 (110) ... Wikipedia

    Nuklīdu tabula Vispārīga informācija Nosaukums, simbols Ūdeņradis 5, 5H Neitroni 4 Protoni 1 Nuklīdu īpašības Atommasa 5,035310 (110) ... Wikipedia

    Nuklīdu tabula Vispārīga informācija Nosaukums, simbols Ūdeņradis 6, 6H Neitroni 5 Protoni 1 Nuklīdu īpašības Atommasa 6,044940 (280) ... Wikipedia

    Nuklīdu tabula Vispārīga informācija Nosaukums, simbols Ūdeņradis 7, 7H Neitrons 6 Protons 1 Nuklīdu īpašības Atommasa 7,052750 (1080) ... Wikipedia

Ūdeņradi (Hydrogenium) 16. gadsimta pirmajā pusē atklāja vācu ārsts un dabaszinātnieks Paracelzs. 1776. gadā G. Kavendišs (Anglija) noteica tās īpašības un norādīja uz atšķirībām no citām gāzēm. Lavuazjē bija pirmais, kurš ieguva ūdeņradi no ūdens un pierādīja, ka ūdens ir ķīmiska ūdeņraža un skābekļa kombinācija (1783).

Ūdeņradim ir trīs izotopi: protijs, deitērijs jeb D un tritijs jeb T. To masas skaitļi ir 1, 2 un 3. Protijs un deitērijs ir stabili, tritijs ir radioaktīvs (pusperiods 12,5 gadi). Dabiskajos savienojumos deitērijs un protijs ir vidēji attiecībā 1:6800 (pēc atomu skaita). Tritijs dabā ir sastopams niecīgā daudzumā.

Ūdeņraža atoma kodols satur vienu protonu. Deitērija un tritija kodolos papildus protonam ir attiecīgi viens un divi neitroni.

Ūdeņraža molekula sastāv no diviem atomiem. Šeit ir dažas īpašības, kas raksturo ūdeņraža atomu un molekulu:

Atomu jonizācijas enerģija, eV 13,60

Atoma afinitāte pret elektronu, eV 0,75

Relatīvā elektronegativitāte 2.1

Atoma rādiuss, nm 0,046

Starpkodolu attālums molekulā, nm 0,0741

Standarta molekulu disociācijas etalpija pie 436,1

115.Ūdeņradis dabā. Ūdeņraža iegūšana.

Ūdeņradis brīvā stāvoklī uz Zemes ir atrodams tikai nelielos daudzumos. Dažreiz tas izdalās kopā ar citām gāzēm vulkānu izvirdumu laikā, kā arī no urbumiem naftas ieguves laikā. Bet savienojumu veidā ūdeņradis ir ļoti izplatīts. To var redzēt jau no tā, ka tas veido devīto daļu no ūdens masas. Ūdeņradis ir visu augu un dzīvnieku organismu, naftas, akmeņogļu un brūnogļu, dabasgāzes un vairāku minerālu sastāvdaļa. Ūdeņraža daļa no visas zemes garozas masas, ieskaitot ūdeni un gaisu, veido aptuveni 1%. Taču, pārrēķinot procentos no kopējā atomu skaita, ūdeņraža saturs zemes garozā ir 17%.

Ūdeņradis ir visizplatītākais elements kosmosā. Tas veido apmēram pusi no Saules un vairuma citu zvaigžņu masas. Tas atrodas gāzveida miglājos, starpzvaigžņu gāzē un ir daļa no zvaigznēm. Zvaigžņu iekšienē ūdeņraža atomu kodoli tiek pārvērsti hēlija atomu kodolos. Šis process notiek ar enerģijas izdalīšanos; daudzām zvaigznēm, tostarp Saulei, tas kalpo kā galvenais enerģijas avots. Procesa ātrums, t.i., ūdeņraža kodolu skaits, kas vienā kubikmetrā vienā sekundē pārvēršas par hēlija kodoliem, ir mazs. Tāpēc enerģijas daudzums, kas izdalās laika vienībā uz tilpuma vienību, ir mazs. Taču Saules milzīgās masas dēļ kopējais Saules ģenerētās un izstarotās enerģijas daudzums ir ļoti liels. Tas atbilst Saules masas samazinājumam par aptuveni sekundi.

Rūpniecībā ūdeņradi galvenokārt ražo no dabasgāzes. Šī gāze, kas galvenokārt sastāv no metāna, tiek sajaukta ar ūdens tvaiku un skābekli. Kad gāzu maisījumu uzkarsē katalizatora klātbūtnē, notiek reakcija, ko shematiski var attēlot ar vienādojumu:

Iegūtais gāzu maisījums tiek atdalīts. Ūdeņradis tiek attīrīts un tiek izmantots uz vietas vai transportēts zem spiediena tērauda balonos.

Svarīga rūpnieciskā metode ūdeņraža iegūšanai ir arī tā izolēšana no koksa krāsns gāzes vai naftas rafinēšanas gāzēm. To veic ar dziļu dzesēšanu, kurā visas gāzes, izņemot ūdeņradi, tiek sašķidrinātas.

Laboratorijās ūdeņradi galvenokārt iegūst ūdens šķīdumu elektrolīzes ceļā. Šo šķīdumu koncentrācija ir izvēlēta tā, lai tā atbilstu to maksimālajai elektrovadītspējai. Elektrodi parasti ir izgatavoti no lokšņu niķeļa. Šis metāls nerūsē sārmu šķīdumos, pat būdams anods. Ja nepieciešams, iegūtais ūdeņradis tiek attīrīts no ūdens tvaikiem un skābekļa pēdām. No citām laboratorijas metodēm visizplatītākā metode ir ūdeņraža ekstrakcija no sērskābes vai sālsskābes šķīdumiem, uz tiem iedarbojoties cinkam. Reakciju parasti veic Kipa aparātā (105. att.).

DEFINĪCIJA

Ūdeņradis ir pirmais elements periodiskajā tabulā. Apzīmējums - H no latīņu vārda "hydrogenium". Atrodas pirmajā periodā, IA grupa. Attiecas uz nemetāliem. Kodollādiņš ir 1.

Ūdeņradis ir viens no visizplatītākajiem ķīmiskajiem elementiem – tā īpatsvars ir aptuveni 1% no visu trīs zemes garozas čaulu (atmosfēras, hidrosfēras un litosfēras) masas, kas, pārrēķinot atomprocentos, iegūst skaitli 17,0.

Galvenais šī elementa daudzums ir saistītā stāvoklī. Tādējādi ūdens satur apmēram 11 masas. %, māls - ap 1,5% utt. Savienojumu ar oglekli veidā ūdeņradis ir daļa no naftas, degošām dabasgāzēm un visiem organismiem.

Ūdeņradis ir bezkrāsaina un bez smaržas gāze (atoma uzbūves diagramma parādīta 1. att.). Tā kušanas un viršanas temperatūra ir ļoti zema (attiecīgi -259 o C un -253 o C). Temperatūrā (-240 o C) un zem spiediena ūdeņradis spēj sašķidrināties, un, strauji iztvaicējot iegūtajam šķidrumam, tas pārvēršas cietā stāvoklī(caurspīdīgi kristāli). Tas nedaudz šķīst ūdenī - 2:100 pēc tilpuma. Ūdeņradim ir raksturīga šķīdība dažos metālos, piemēram, dzelzē.

Rīsi. 1. Ūdeņraža atoma uzbūve.

Ūdeņraža atomu un molekulmasa

DEFINĪCIJA

Relatīvā atomu masa elements ir dotā elementa atoma masas attiecība pret 1/12 no oglekļa atoma masas.

Relatīvā atomu masa ir bezizmēra, un to apzīmē ar A r (apakšraksts "r" ir sākuma burts Angļu vārds radinieks, kas tulkojumā nozīmē "radinieks"). Atomu ūdeņraža relatīvā atomu masa ir 1,008 amu.

Molekulu masas, tāpat kā atomu masas, ir izteiktas atomu masas vienībās.

DEFINĪCIJA

molekulārais svars Vielu sauc par molekulas masu, kas izteikta atomu masas vienībās. Relatīvā molekulmasa vielas sauc par dotās vielas molekulas masas attiecību pret 1/12 no oglekļa atoma masas, kura masa ir 12 a.m.u.

Ir zināms, ka ūdeņraža molekula ir divatomiskā H 2 . Ūdeņraža molekulas relatīvā molekulmasa būs vienāda ar:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

Ūdeņraža izotopi

Ūdeņradim ir trīs izotopi: protijs 1 H, deitērijs 2 H jeb D un tritijs 3 H jeb T. To masas skaitļi ir 1, 2 un 3. Protijs un deitērijs ir stabili, tritijs ir radioaktīvs (pusperiods 12,5 gadi). Dabiskajos savienojumos deitērijs un protijs ir vidēji attiecībā 1:6800 (pēc atomu skaita). Tritijs dabā ir sastopams niecīgā daudzumā.

Ūdeņraža atoma 1 H kodols satur vienu protonu. Deitērija un tritija kodolos papildus protonam ir viens un divi neitroni.

Ūdeņraža joni

Ūdeņraža atoms var vai nu ziedot savu vienu elektronu, lai izveidotu pozitīvu jonu (kas ir "kails" protons), vai arī tas var pievienot vienu elektronu, pārvēršoties par negatīvu jonu, kuram ir hēlija elektroniskā konfigurācija.

Elektrona pilnīgai atdalīšanai no ūdeņraža atoma ir nepieciešama ļoti liela jonizācijas enerģija:

H + 315 kcal = H + + e.

Rezultātā ūdeņraža mijiedarbībā ar metaloīdiem nerodas jonu, bet tikai polāras saites.

Neitrāla atoma tendenci piesaistīt lieko elektronu raksturo tā elektronu afinitātes vērtība. Ūdeņražā tas ir diezgan vāji izteikts (tomēr tas nenozīmē, ka šāds ūdeņraža jons nevar pastāvēt):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Ūdeņraža molekula un atoms

Ūdeņraža molekula sastāv no diviem atomiem - H 2 . Šeit ir dažas īpašības, kas raksturo ūdeņraža atomu un molekulu:

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Vingrinājums Pierādiet, ka ir hidrīdi ar vispārējo formulu EN x, kas satur 12,5% ūdeņraža.
Risinājums Aprēķina ūdeņraža un nezināmā elementa masu, ņemot parauga masu 100 g:

m(H) = m(EN x) x w(H);

m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 g.

m (E) \u003d m (EN x) - m (H);

m (E) \u003d 100 - 12,5 \u003d 87,5 g.

Atradīsim ūdeņraža vielas un nezināmā elementa daudzumu, apzīmējot tā molāro masu kā "x" (ūdeņraža molārā masa ir 1 g / mol):

Ūdeņradis ir ķīmiskais elements ar simbolu H un atomskaitli 1. Ūdeņradis ar standarta atommasu aptuveni 1,008 ir vieglākais elements periodiskajā tabulā. Tās monatomiskā forma (H) ir visbagātākā ķīmiskā viela Visumā, kas veido aptuveni 75% no kopējās bariona masas. Zvaigznes lielākoties sastāv no ūdeņraža plazmas stāvoklī. Visizplatītākajam ūdeņraža izotopam, ko sauc par protiju (šo nosaukumu lieto reti, simbols 1H), ir viens protons un nav neitronu. Plaši izplatītais atomu ūdeņraža parādīšanās pirmo reizi notika rekombinācijas laikmetā. Standarta temperatūrā un spiedienā ūdeņradis ir bezkrāsaina, bez smaržas, garšas, netoksiska, nemetāla, uzliesmojoša divatomu gāze ar molekulāro formulu H2. Tā kā ūdeņradis viegli veido kovalentās saites ar lielāko daļu nemetālisko elementu, lielākā daļa ūdeņraža uz Zemes pastāv molekulārās formās, piemēram, ūdenī vai organiskos savienojumos. Ūdeņradim ir īpaši svarīga loma skābju-bāzes reakcijās, jo lielākā daļa uz skābēm balstītu reakciju ietver protonu apmaiņu starp šķīstošām molekulām. Jonu savienojumos ūdeņradis var būt negatīva lādiņa (t.i., anjona) formā, un to sauc par hidrīdu vai kā pozitīvi lādētu (t.i., katjonu) veidu, ko apzīmē ar simbolu H+. Tiek aprakstīts, ka ūdeņraža katjons sastāv no vienkārša protona, taču faktiskie ūdeņraža katjoni jonu savienojumos vienmēr ir sarežģītāki. Kā vienīgais neitrālais atoms, kuram Šrēdingera vienādojumu var atrisināt analītiski, ūdeņradis (proti, tā atoma enerģijas un saistīšanās izpēte) ir spēlējis galveno lomu kvantu mehānikas attīstībā. Ūdeņraža gāze pirmo reizi tika mākslīgi ražota 16. gadsimta sākumā, skābēm reaģējot ar metāliem. 1766.-81. Henrijs Kavendišs bija pirmais, kurš atzina, ka ūdeņraža gāze ir atsevišķa viela un ka tā sadedzinot rada ūdeni, tāpēc arī tā nosaukums: ūdeņradis grieķu valodā nozīmē "ūdens ražotājs". Ūdeņraža rūpnieciskā ražošana galvenokārt ir saistīta ar dabasgāzes pārveidošanu ar tvaiku un retāk ar energoietilpīgākām metodēm, piemēram, ūdens elektrolīzi. Lielāko daļu ūdeņraža izmanto netālu no tā ražošanas vietas, un divi visizplatītākie lietojumi ir fosilā kurināmā apstrāde (piemēram, hidrokrekinga) un amonjaka ražošana, galvenokārt mēslošanas līdzekļu tirgum. Ūdeņradis rada bažas metalurģijā, jo tas var trauslēt daudzus metālus, apgrūtinot cauruļvadu un uzglabāšanas tvertņu projektēšanu.

Īpašības

Degšana

Ūdeņraža gāze (diūdeņradis vai molekulārais ūdeņradis) ir uzliesmojoša gāze, kas sadegs gaisā ļoti plašā koncentrāciju diapazonā no 4% līdz 75% pēc tilpuma. Degšanas entalpija ir 286 kJ/mol:

    2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Ūdeņraža gāze veido sprādzienbīstamus maisījumus ar gaisu koncentrācijā no 4-74% un ar hloru koncentrācijā līdz 5,95%. Sprādzienbīstamas reakcijas var izraisīt dzirksteles, karstums vai saules gaisma. Ūdeņraža pašaizdegšanās temperatūra, spontānas aizdegšanās temperatūra gaisā, ir 500 °C (932 °F). Tīras ūdeņraža-skābekļa liesmas izstaro ultravioleto starojumu un ar augstu skābekļa maisījumu ir gandrīz neredzamas ar neapbruņotu aci, par ko liecina Space Shuttle galvenā dzinēja vājais spals, salīdzinot ar labi redzamo Space Shuttle cieto raķešu pastiprinātāja strūklu, kas izmanto amonija perhlorāta kompozīts. Lai noteiktu degoša ūdeņraža noplūdi, var būt nepieciešams liesmas detektors; šādas noplūdes var būt ļoti bīstamas. Ūdeņraža liesma citos apstākļos ir zila un atgādina zilu dabasgāzes liesmu. Dirižablis "Hindenburg" nogrimšana ir bēdīgi slavens ūdeņraža sadedzināšanas piemērs, un šī lieta joprojām tiek apspriesta. Redzamo oranžo liesmu šajā incidentā izraisīja pakļaušana ūdeņraža un skābekļa maisījumam, kas apvienots ar oglekļa savienojumiem no dirižabļa ādas. H2 reaģē ar katru oksidējošo elementu. Ūdeņradis istabas temperatūrā var spontāni reaģēt ar hloru un fluoru, veidojot atbilstošus ūdeņraža halogenīdus, ūdeņraža hlorīdu un fluorūdeņradi, kas arī ir potenciāli bīstamas skābes.

Elektronu enerģijas līmeņi

Elektrona pamatstāvokļa enerģijas līmenis ūdeņraža atomā ir –13,6 eV, kas ir līdzvērtīgs ultravioletā starojuma fotonam ar viļņa garumu aptuveni 91 nm. Ūdeņraža enerģijas līmeņus var diezgan precīzi aprēķināt, izmantojot atoma Bora modeli, kas elektronu konceptualizē kā "orbitālu" protonu, līdzīgi kā Zemes orbītā ap Sauli. Tomēr atomu elektronu un protonu satur kopā elektromagnētiskais spēks, bet planētas un debess objektus satur gravitācija. Sakarā ar leņķiskā impulsa diskretizāciju, kas tika postulēta sākumā kvantu mehānika Bohr, elektrons Bora modelī var aizņemt tikai noteiktus pieļaujamos attālumus no protona un līdz ar to tikai noteiktas pieļaujamās enerģijas. Precīzāks ūdeņraža atoma apraksts iegūts no tīri kvantu mehāniskās apstrādes, kas izmanto Šrēdingera vienādojumu, Diraka vienādojumu vai pat Feinmena integrēto shēmu, lai aprēķinātu elektrona varbūtības blīvuma sadalījumu ap protonu. Sarežģītākās apstrādes metodes ļauj iegūt nelielus efektus īpašā teorija relativitāte un vakuuma polarizācija. Kvantu apstrādē elektronam pamatstāvokļa ūdeņraža atomā vispār nav griezes momenta, kas ilustrē, kā "planētas orbīta" atšķiras no elektrona kustības.

Elementārās molekulārās formas

Divatomu ūdeņraža molekulām ir divi dažādi spin izomēri, kas atšķiras ar to kodolu relatīvo spinu. Ortoūdeņraža formā abu protonu spini ir paralēli un veido tripleta stāvokli ar molekulārā spina kvantu skaitli 1 (1/2 + 1/2); paraūdeņraža formā spini ir pretparalēli un veido singletu ar molekulārā spina kvantu skaitli 0 (1/2 1/2). Standarta temperatūrā un spiedienā ūdeņraža gāze satur apmēram 25% para formas un 75% orto formas, kas pazīstama arī kā "normālā forma". Ortoūdeņraža un paraūdeņraža līdzsvara attiecība ir atkarīga no temperatūras, bet, tā kā orto forma ir ierosināts stāvoklis un tai ir lielāka enerģija nekā para formai, tā ir nestabila un to nevar attīrīt. Ļoti zemā temperatūrā līdzsvara stāvoklis sastāv gandrīz tikai no para formas. Termiskās īpašības Tīra paraūdeņraža šķidrās un gāzes fāzes būtiski atšķiras no normālās formas īpašībām rotācijas siltuma jaudas atšķirību dēļ, par ko sīkāk runā ūdeņraža griešanās izomēri. Orto/pāra atšķirība notiek arī citās ūdeņradi saturošās molekulās vai funkcionālajās grupās, piemēram, ūdenī un metilēnā, taču tam ir maza nozīme to termiskajām īpašībām. Nekatalizētā savstarpējā pārveide starp para un orto H2 palielinās, palielinoties temperatūrai; tādējādi ātri kondensēts H2 satur lielos daudzumos augstas enerģijas ortogonāla forma, kas ļoti lēni pārvēršas para formā. Orto/para attiecība kondensētajā H2 ir svarīgs faktors šķidrā ūdeņraža sagatavošanā un uzglabāšanā: pārvēršanās no orto uz para ir eksotermiska un nodrošina pietiekami daudz siltuma, lai iztvaicētu daļu ūdeņraža šķidruma, kā rezultātā tiek zaudēts sašķidrinātais materiāls. Katalizatori orto-para konversijai, piemēram, dzelzs oksīds, Aktivētā ogleūdeņraža dzesēšanā izmanto platinizēto azbestu, retzemju metālus, urāna savienojumus, hroma oksīdu vai dažus niķeļa savienojumus.

Fāzes

    Ūdeņraža gāze

    šķidrais ūdeņradis

    dūņu ūdeņradis

    cietais ūdeņradis

    metālisks ūdeņradis

Savienojumi

Kovalentie un organiskie savienojumi

Lai gan H2 standarta apstākļos nav ļoti reaģējošs, tas veido savienojumus ar lielāko daļu elementu. Ūdeņradis var veidot savienojumus ar elementiem, kas ir vairāk elektronegatīvi, piemēram, halogēni (piemēram, F, Cl, Br, I) vai skābekli; šajos savienojumos ūdeņradis iegūst daļēju pozitīvu lādiņu. Saistoties ar fluoru, skābekli vai slāpekli, ūdeņradis var piedalīties vidējas stiprības nekovalentās saites veidā ar citu līdzīgu molekulu ūdeņradi. Šo parādību sauc par ūdeņraža saiti, kas ir ļoti svarīga daudzu bioloģisko molekulu stabilitātei. Ūdeņradis veido arī savienojumus ar mazāk elektronegatīviem elementiem, piemēram, metāliem un metaloīdiem, kur tas iegūst daļēju negatīvu lādiņu. Šos savienojumus bieži sauc par hidrīdiem. Ūdeņradis veido ļoti dažādus savienojumus ar oglekli, ko sauc par ogļūdeņražiem, un vēl vairāk dažādu savienojumu ar heteroatomiem, kurus, ņemot vērā to kopīgo saistību ar dzīvām būtnēm, sauc par organiskiem savienojumiem. To īpašību izpēte ir organiskā ķīmija, un to izpēte dzīvo organismu kontekstā ir pazīstama kā bioķīmija. Saskaņā ar dažām definīcijām "organiskajiem" savienojumiem ir jāsatur tikai ogleklis. Tomēr lielākā daļa satur arī ūdeņradi, un, tā kā tieši oglekļa-ūdeņraža saite šai savienojumu klasei piešķir lielu daļu to specifisko ķīmisko īpašību, oglekļa-ūdeņraža saites ir nepieciešamas dažās vārda "organiskā" definīcijās ķīmijā. Ir zināmi miljoniem ogļūdeņražu, un tos parasti veido sarežģīti sintētiskie ceļi, kas reti ietver elementāru ūdeņradi.

hidrīdi

Ūdeņraža savienojumus bieži sauc par hidrīdiem. Termins "hidrīds" liecina, ka H atoms ir ieguvis negatīvu vai anjonu raksturu, ko apzīmē ar H-, un to lieto, ja ūdeņradis veido savienojumu ar elektropozitīvāku elementu. Hidrīda anjona esamību, ko 1916. gadā ierosināja Gilberts N. Lūiss 1. un 2. grupas sāli saturošiem hidrīdiem, Moers pierādīja 1920. gadā, veicot kausēta litija hidrīda (LiH) elektrolīzi, radot stehiometrisku ūdeņraža daudzumu uz anodu. Attiecībā uz hidrīdiem, kas nav 1. un 2. grupas metāli, šis termins ir maldinošs, ņemot vērā ūdeņraža zemo elektronegativitāti. Izņēmums 2. grupas hidrīdos ir BeH2, kas ir polimērs. Litija alumīnija hidrīdā AlH-4 anjonam ir hidrīda centri, kas ir cieši saistīti ar Al (III). Lai gan hidrīdi var veidoties gandrīz visos galvenās grupas elementos, iespējamo savienojumu skaits un kombinācija ļoti atšķiras; piemēram, ir zināmi vairāk nekā 100 bināri borāna hidrīdi un tikai viens binārais alumīnija hidrīds. Binārais indija hidrīds vēl nav identificēts, lai gan pastāv lieli kompleksi. Neorganiskajā ķīmijā hidrīdi var kalpot arī kā savienojošie ligandi, kas savieno divus metāla centrus koordinācijas kompleksā. Šī funkcija ir īpaši raksturīga 13. grupas elementiem, īpaši borānos (bora hidrīdos) un alumīnija kompleksos, kā arī klasteru karborānos.

Protoni un skābes

Ūdeņraža oksidēšana noņem tā elektronu un iegūst H+, kurā nav elektronu un kodola, kas parasti sastāv no viena protona. Tāpēc H+ bieži sauc par protonu. Šis viedoklis ir galvenais diskusijā par skābēm. Saskaņā ar Bronsted-Lowry teoriju skābes ir protonu donori, bet bāzes ir protonu akceptors. Kailais protons H+ nevar pastāvēt šķīdumā vai jonu kristālos, jo tas neatvairāmi pievelk citus atomus vai molekulas ar elektroniem. Izņemot augstās temperatūras, kas saistītas ar plazmu, šādus protonus nevar noņemt no atomu un molekulu elektronu mākoņiem un tie paliks tiem piesaistīti. Tomēr termins "protons" dažreiz tiek lietots metaforiski, lai apzīmētu pozitīvi lādētu vai katjonu ūdeņradi, kas šādā veidā piesaistīts citām sugām, un kā tāds tiek apzīmēts ar "H+", bez jebkādas nozīmes, ka atsevišķi protoni kā suga pastāv brīvi. Lai izvairītos no kaila "solvatēta protona" parādīšanās šķīdumā, dažreiz tiek uzskatīts, ka skābie ūdens šķīdumi satur mazāk ticamu fiktīvu sugu, ko sauc par "hidronija jonu" (H 3 O+). Tomēr arī šajā gadījumā šādi solvatēti ūdeņraža katjoni reālāk tiek uztverti kā organizēti kopas, kas veido H 9O+4 tuvas sugas. Citi oksonija joni tiek atrasti, kad ūdens atrodas skābā šķīdumā ar citiem šķīdinātājiem. Neskatoties uz to, ka uz Zemes ir eksotisks, viens no visizplatītākajiem joniem Visumā ir H+3, kas pazīstams kā protonēts molekulārais ūdeņradis vai triūdeņraža katjons.

izotopi

Ūdeņradim ir trīs dabā sastopami izotopi, kas apzīmēti ar 1H, 2H un 3H. Citi ļoti nestabili kodoli (4H līdz 7H) ir sintezēti laboratorijā, bet dabā nav novēroti. 1H ir visizplatītākais ūdeņraža izotops, kura pārpilnība pārsniedz 99,98%. Tā kā šī izotopa kodols sastāv tikai no viena protona, tam dots aprakstošs, bet reti lietots formālais nosaukums protium. 2H, otrs stabilais ūdeņraža izotops, ir pazīstams kā deitērijs un satur vienu protonu un vienu neitronu kodolā. Tiek uzskatīts, ka viss deitērijs Visumā tika ražots Lielā sprādziena laikā un pastāv kopš tā laika līdz šim. Deitērijs nav radioaktīvs elements un nerada būtisku toksicitātes risku. Ūdeni, kas bagātināts ar molekulām, kas satur deitēriju, nevis parasto ūdeņradi, sauc par smago ūdeni. Deitēriju un tā savienojumus izmanto kā neradioaktīvu marķējumu ķīmiskos eksperimentos un šķīdinātājos 1H-NMR spektroskopijai. Smagais ūdens tiek izmantots kā neitronu moderators un dzesēšanas šķidrums kodolreaktoros. Deitērijs ir arī potenciāls kurināmais komerciālai kodolsintēzei. 3H ir pazīstams kā tritijs un satur vienu protonu un divus neitronus kodolā. Tas ir radioaktīvs, beta sabrukšanas rezultātā sadalās hēlijā-3 ar pussabrukšanas periodu 12,32 gadi. Tas ir tik radioaktīvs, ka to var izmantot apgaismojošā krāsā, tāpēc tas ir noderīgs, piemēram, pulksteņu izgatavošanā ar gaismas ciparnīcām. Stikls neļauj izplūst nelielam starojuma daudzumam. Neliels daudzums tritija rodas dabiski, kosmiskajiem stariem mijiedarbojoties ar atmosfēras gāzēm; testēšanas laikā izdalījās arī tritijs atomieroči. To izmanto kodolsintēzes reakcijās kā izotopu ģeoķīmijas indikatoru un specializētās pašdarbināmās apgaismes ierīcēs. Tritijs ir izmantots arī ķīmiskās un bioloģiskās marķēšanas eksperimentos kā radioaktīvā etiķete. Ūdeņradis ir vienīgais elements, kuram ir dažādi nosaukumi izotopiem, kurus mūsdienās plaši izmanto. Agrīnās radioaktivitātes izpētes laikā tika doti dažādi smagi radioaktīvie izotopi pašu vārdi, taču šādus nosaukumus vairs neizmanto, izņemot deitēriju un tritiju. Simbolus D un T (nevis 2H un 3H) dažreiz izmanto deitērijam un tritijam, bet attiecīgais simbols P jau tiek izmantots fosforam un tādējādi nav pieejams protijam. Savās nomenklatūras vadlīnijās Starptautiskā tīrās un lietišķās ķīmijas savienība atļauj izmantot jebkurus simbolus no D, T, 2H un 3H, lai gan priekšroka tiek dota 2H un 3H. Eksotiskais atoms muonijs (simbols Mu), kas sastāv no antimuona un elektrona, dažkārt tiek uzskatīts arī par vieglu ūdeņraža radioizotopu, jo antimuona un elektrona masas atšķirība tika atklāta 1960. gadā. Mūona dzīves laikā, 2,2 μs, muonijs var iekļūt tādos savienojumos kā muonija hlorīds (MuCl) vai nātrija mionīds (NaMu), līdzīgi kā attiecīgi hlorūdeņradis un nātrija hidrīds.

Stāsts

Atklāšana un izmantošana

1671. gadā Roberts Boils atklāja un aprakstīja reakciju starp dzelzs šķembām un atšķaidītām skābēm, kā rezultātā veidojas ūdeņraža gāze. 1766. gadā Henrijs Kavendišs pirmais atpazina ūdeņraža gāzi kā atsevišķu vielu, nosaucot gāzi par "uzliesmojošu gaisu" metāla-skābes reakcijas dēļ. Viņš ierosināja, ka "uzliesmojošs gaiss" patiesībā ir identisks hipotētiskajai vielai, ko sauc par "flogistonu", un 1781. gadā atkal konstatēja, ka gāze, sadedzinot, rada ūdeni. Tiek uzskatīts, ka tieši viņš atklāja ūdeņradi kā elementu. 1783. gadā Antuāns Lavuazjē piešķīra elementam nosaukumu ūdeņradis (no grieķu valodas ὑδρο-hydro, kas nozīmē "ūdens" un -γενής gēni, kas nozīmē "radītājs"), kad viņš un Laplass atkārtoja Kavendiša datus, ka ūdens veidojies, sadedzinot ūdeņradi. Lavuazjē ražoja ūdeņradi masu eksperimentu saglabāšanai, reaģējot tvaika straumei ar metālisku dzelzi caur ugunī uzkarsētu kvēlspuldzi. Dzelzs anaerobo oksidēšanu ar ūdens protoniem augstā temperatūrā shematiski var attēlot ar šādu reakciju kopumu:

    Fe + H2O → FeO + H2

    2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

    3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Daudzi metāli, piemēram, cirkonijs, tiek pakļauti līdzīgai reakcijai ar ūdeni, veidojot ūdeņradi. Ūdeņradi pirmo reizi sašķidrināja Džeimss Devars 1898. gadā, izmantojot reģeneratīvo dzesēšanu un savu izgudrojumu, vakuuma kolbu. Nākamajā gadā viņš ražoja cieto ūdeņradi. Deitēriju 1931. gada decembrī atklāja Harolds Urejs, bet tritiju 1934. gadā sagatavoja Ernests Raterfords, Marks Olifants un Pols Harteks. Smago ūdeni, kas sastāv no deitērija, nevis parastā ūdeņraža, Jurija grupa atklāja 1932. gadā. Fransuā Īzaks de Rivazs uzbūvēja pirmo Rivaz dzinēju, dzinēju iekšējā degšana, ko darbina ūdeņradis un skābeklis, 1806. gadā. Edvards Daniels Klārks izgudroja ūdeņraža gāzes cauruli 1819. gadā. Döbereiner tērauds (pirmā pilnvērtīgā šķiltavas) tika izgudrots 1823. gadā. Pirmo ūdeņraža balonu izgudroja Žaks Čārlzs 1783. gadā. Ūdeņradis radīja pirmo uzticamo gaisa satiksmes veidu pēc tam, kad Anrī Gifards 1852. gadā izgudroja pirmo ar ūdeņradi paceļamo dirižabli. Vācu grāfs Ferdinands fon Cepelīns popularizēja ideju par stingrajiem dirižabļiem, ko gaisā paceļ ar ūdeņradi, ko vēlāk sauca par cepelīniem; pirmais no tiem pirmo reizi lidoja 1900. gadā. Regulārie reisi sākās 1910. gadā, un līdz Pirmā pasaules kara sākumam 1914. gada augustā tie bija pārvadājuši 35 000 pasažieru bez lieliem starpgadījumiem. Kara laikā ūdeņraža dirižabļi tika izmantoti kā novērošanas platformas un bumbvedēji. Pirmo tiešo transatlantisko lidojumu veica britu dirižablis R34 1919. gadā. Regulāra pasažieru satiksme tika atsākta 20. gados, un hēlija rezervju atklāšanai ASV vajadzēja uzlabot aviācijas drošību, taču ASV valdība atteicās pārdot gāzi šim nolūkam, tāpēc H2 tika izmantots Hindenburgas dirižablā, kas tika iznīcināts Milānas ugunsgrēks Ņūdžersijā 1937. gada 6. maijā. Incidentu tiešraidē pārraidīja radio un filmēja. Plaši tika uzskatīts, ka aizdegšanās cēlonis bija ūdeņraža noplūde, tomēr turpmākie pētījumi liecina, ka alumīnija auduma pārklājumu aizdedzināja statiskā elektrība. Taču līdz tam laikam ūdeņraža kā pacelšanas gāzes reputācija jau bija sabojāta. Tajā pašā gadā 1937. gadā Deitonā, Ohaio štatā, uzņēmums Dayton Power & Light Co. sāka darboties pirmais ar ūdeņradi dzesējams turboģenerators ar ūdeņraža gāzi kā dzesēšanas šķidrumu rotorā un statorā; ūdeņraža gāzes siltumvadītspējas dēļ tā mūsdienās ir visizplatītākā gāze, ko izmanto šajā jomā. Niķeļa-ūdeņraža akumulators pirmo reizi tika izmantots 1977. gadā uz ASV navigācijas tehnoloģiju satelīta 2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey un Mars Global Surveyor ir aprīkoti ar niķeļa-ūdeņraža akumulatoriem. Savas orbītas tumšajā daļā Habla kosmosa teleskopu darbina arī niķeļa-ūdeņraža baterijas, kuras beidzot tika nomainītas 2009. gada maijā, vairāk nekā 19 gadus pēc palaišanas un 13 gadus pēc to projektēšanas.

Loma kvantu teorijā

Tā kā ūdeņraža atoms ir vienkāršā atomu struktūra, kurā ir tikai protons un elektrons, tas kopā ar gaismas spektru, ko tas rada vai absorbē, ir bijis galvenais atomu struktūras teorijas attīstībā. Turklāt ūdeņraža molekulas un atbilstošā H+2 katjona atbilstošās vienkāršības izpēte radīja izpratni par ķīmiskās saites būtību, kas drīz vien sekoja ūdeņraža atoma fizikālajai apstrādei kvantu mehānikā 2020. gada vidū. Viens no pirmajiem kvantu efektiem, kas tika skaidri novērots (bet tajā laikā netika saprasts), bija Maksvela novērojums, kas saistīts ar ūdeņradi pusgadsimtu pirms pilnīgas kvantu mehāniskās teorijas. Maksvels to atzīmēja īpašs karstums H2 neatgriezeniski iziet no divatomiskās gāzes zem istabas temperatūras un sāk arvien vairāk līdzināties monatomiskās gāzes īpatnējai siltumietilpībai kriogēnās temperatūrās. Saskaņā ar kvantu teorija, šī uzvedība rodas no (kvantētās) rotācijas enerģijas līmeņu atstatumiem, kas H2 ir īpaši plaši izvietoti tā mazās masas dēļ. Šie plaši izvietotie līmeņi neļauj vienmērīgi sadalīt siltumenerģiju ūdeņraža rotācijas kustībā zemā temperatūrā. Diatomu gāzēm, kas sastāv no smagākiem atomi, nav tik plaši izvietoti līmeņi, un tām nav tāda paša efekta. Antiūdeņradis ir ūdeņraža antimateriāls analogs. Tas sastāv no antiprotona ar pozitronu. Antiūdeņradis ir vienīgais antimatērijas atoma veids, kas iegūts no 2015. gada.

Atrodoties dabā

Ūdeņradis ir visizplatītākais ķīmiskais elements Visumā, kas veido 75% no parastās vielas masas un vairāk nekā 90% pēc atomu skaita. (Tomēr lielākā daļa Visuma masas neatrodas šajā formā ķīmiskais elements, bet tiek uzskatīts, ka tai ir vēl neatklātas masas formas, piemēram, tumšā matērija un tumšā enerģija.) Šis elements lielā pārpilnībā ir atrodams zvaigznēs un gāzu gigantos. H2 molekulārie mākoņi ir saistīti ar zvaigžņu veidošanos. Ūdeņradim ir būtiska loma zvaigžņu iedarbināšanā, izmantojot protonu-protonu reakciju un CNO cikla kodolsintēzi. Visā pasaulē ūdeņradis galvenokārt sastopams atomu un plazmas stāvokļos, kuru īpašības ievērojami atšķiras no molekulārā ūdeņraža īpašībām. Kā plazma, ūdeņraža elektrons un protons nav saistīti viens ar otru, kā rezultātā ir ļoti augsta elektrovadītspēja un augsta izstarojuma spēja (rada gaismu no Saules un citām zvaigznēm). Uzlādētās daļiņas spēcīgi ietekmē magnētiskie un elektriskie lauki. Piemēram, saules vējā tie mijiedarbojas ar Zemes magnetosfēru, radot Birkeland straumes un polārblāzmu. Ūdeņradis starpzvaigžņu vidē atrodas neitrālā atomu stāvoklī. Tiek uzskatīts, ka lielais neitrālā ūdeņraža daudzums, kas atrodams izzūdošajās Liman-alfa sistēmās, dominē Visuma kosmoloģiskajā barionu blīvumā līdz sarkanajai nobīdei z = 4. Normālos apstākļos uz Zemes elementārais ūdeņradis pastāv kā divatomiskā gāze H2. Tomēr ūdeņraža gāze tās dēļ ir ļoti reti sastopama zemes atmosfērā (1 ppm pēc tilpuma). viegls svars, kas ļauj tai vieglāk pārvarēt Zemes gravitāciju nekā smagākas gāzes. Tomēr ūdeņradis ir trešais visizplatītākais elements uz Zemes virsmas, kas galvenokārt pastāv ķīmisku savienojumu veidā, piemēram, ogļūdeņraži un ūdens. Ūdeņraža gāzi ražo dažas baktērijas un aļģes, un tā ir dabiska flauta sastāvdaļa, tāpat kā metāns, kas kļūst arvien svarīgāks ūdeņraža avots. Molekulārā forma, ko sauc par protonētu molekulāro ūdeņradi (H+3), ir atrodama starpzvaigžņu vidē, kur to ģenerē molekulārā ūdeņraža jonizācija no kosmiskajiem stariem. Šis uzlādētais jons ir novērots arī planētas Jupitera atmosfēras augšējos slāņos. Jons ir relatīvi stabils vidi zemas temperatūras un blīvuma dēļ. H+3 ir viens no visbagātīgākajiem joniem Visumā, un tam ir nozīmīga loma starpzvaigžņu vides ķīmijā. Neitrāls triatomiskais ūdeņradis H3 var pastāvēt tikai ierosinātā formā un ir nestabils. Turpretim pozitīvais molekulārais ūdeņraža jons (H+2) ir reta molekula Visumā.

Ūdeņraža ražošana

H2 tiek ražots ķīmiskās un bioloģiskās laboratorijās, bieži vien kā citu reakciju blakusprodukts; rūpniecībā nepiesātinātu substrātu hidrogenēšanai; un dabā kā līdzeklis reducējošo ekvivalentu aizstāšanai bioķīmiskajās reakcijās.

Tvaika reformēšana

Ūdeņradi var ražot vairākos veidos, taču ekonomiski svarīgākie procesi ir ūdeņraža atdalīšana no ogļūdeņražiem, jo ​​aptuveni 95% no ūdeņraža ražošanas 2000. gadā tika iegūti, veicot tvaika riformingu. Komerciāli lielus ūdeņraža daudzumus parasti iegūst, veicot dabasgāzes tvaika reformēšanu. Plkst augstas temperatūras(1000-1400 K, 700-1100 °C vai 1300-2000 °F) tvaiks (tvaiks) reaģē ar metānu, veidojot oglekļa monoksīdu un H2.

    CH4 + H2O → CO + 3 H2

Šī reakcija vislabāk darbojas zemā spiedienā, taču to joprojām var veikt augstā spiedienā (2,0 MPa, 20 atm vai 600 dzīvsudraba collas). Tas ir tāpēc, ka augstspiediena H2 ir vispopulārākais produkts, un spiediena pārkaršanas tīrīšanas sistēmas darbojas labāk pie augstāka spiediena. Produktu maisījums ir pazīstams kā "sintēzes gāze", jo to bieži izmanto tieši metanola un saistīto savienojumu ražošanai. Ogļūdeņražus, kas nav metāns, var izmantot sintēzes gāzes ražošanai ar dažādām produktu attiecībām. Viens no daudzajiem šīs ļoti optimizētās tehnoloģijas sarežģījumiem ir koksa vai oglekļa veidošanās:

    CH4 → C + 2 H2

Tāpēc tvaika reformēšanā parasti tiek izmantots H2O pārpalikums. Papildu ūdeņradi no tvaika var iegūt, izmantojot oglekļa monoksīdu, izmantojot ūdens gāzes maiņas reakciju, īpaši izmantojot dzelzs oksīda katalizatoru. Šī reakcija ir arī izplatīts oglekļa dioksīda rūpnieciskais avots:

    CO + H2O → CO2 + H2

Citas svarīgas metodes H2 ir daļēja ogļūdeņražu oksidēšana:

    2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Un ogļu reakcija, kas var kalpot kā ievads iepriekš aprakstītajai maiņas reakcijai:

    C + H2O → CO + H2

Dažreiz ūdeņradis tiek ražots un patērēts vienā un tajā pašā rūpnieciskajā procesā bez atdalīšanas. Hābera procesā amonjaka ražošanai ūdeņradi iegūst no dabasgāzes. Sāls šķīduma elektrolīze, lai iegūtu hloru, rada arī ūdeņradi kā blakusproduktu.

metālskābe

Laboratorijā H2 parasti iegūst, reaģējot atšķaidītām neoksidējošām skābēm ar noteiktiem reaktīviem metāliem, piemēram, cinku, ar Kipp aparātu.

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Alumīnijs var radīt arī H2, ja to apstrādā ar bāzēm:

    2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Ūdens elektrolīze ir vienkāršs veids, kā iegūt ūdeņradi. Zema sprieguma strāva plūst cauri ūdenim, un pie anoda tiek ģenerēta skābekļa gāze, bet pie katoda tiek ģenerēta ūdeņraža gāze. Parasti katods ir izgatavots no platīna vai cita inerta metāla ūdeņraža ražošanā uzglabāšanai. Tomēr, ja gāzi paredzēts sadedzināt in situ, degšanas veicināšanai ir vēlama skābekļa klātbūtne, un tāpēc abi elektrodi būs izgatavoti no inertiem metāliem. (Piemēram, dzelzs oksidējas un līdz ar to samazina izdalītā skābekļa daudzumu). Teorētiskā maksimālā efektivitāte (izlietotā elektroenerģija attiecībā pret saražotā ūdeņraža enerģētisko vērtību) ir 80-94% robežās.

    2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Ūdeņraža ražošanai var izmantot alumīnija un gallija sakausējumu, kas pievienots ūdenim granulu veidā. Šajā procesā iegūst arī alumīnija oksīdu, bet dārgo galliju, kas novērš oksīda apvalka veidošanos uz granulām, var izmantot atkārtoti. Tam ir būtiska ietekme uz ūdeņraža ekonomiku, jo ūdeņradi var ražot lokāli un tas nav jātransportē.

Termoķīmiskās īpašības

Ir vairāk nekā 200 termoķīmisko ciklu, ko var izmantot, lai atdalītu ūdeni, apmēram ducis no šiem cikliem, piemēram, dzelzs oksīda cikls, cērija (IV) oksīda cikls, cērija (III) oksīda cikls, cinka-cinka oksīds. cikls, sēra joda cikls, vara cikls un hlora un sēra hibrīdcikls tiek pētīti un testēti, lai ražotu ūdeņradi un skābekli no ūdens un siltuma, neizmantojot elektrību. Vairākas laboratorijas (tostarp Francijā, Vācijā, Grieķijā, Japānā un ASV) izstrādā termoķīmiskas metodes ūdeņraža iegūšanai no saules enerģijas un ūdens.

Anaerobā korozija

Anaerobos apstākļos dzelzs un tērauda sakausējumus lēnām oksidē ūdens protoni, vienlaikus reducējoties molekulārajā ūdeņradi (H2). Dzelzs anaerobā korozija vispirms noved pie dzelzs hidroksīda (zaļās rūsas) veidošanās, un to var raksturot ar šādu reakciju: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Savukārt anaerobos apstākļos dzelzs hidroksīdu (Fe (OH) 2) var oksidēt ūdens protoni, veidojot magnetītu un molekulāro ūdeņradi. Šo procesu apraksta Shikorra reakcija: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 dzelzs hidroksīds → magnijs + ūdens + ūdeņradis. Labi kristalizēts magnetīts (Fe3O4) ir termodinamiski stabilāks nekā dzelzs hidroksīds (Fe(OH)2). Šis process notiek dzelzs un tērauda anaerobās korozijas laikā bezskābekļa apstākļos. gruntsūdeņi un atjaunojot augsnes zem gruntsūdens līmeņa.

Ģeoloģiskā izcelsme: serpentinizācijas reakcija

Ja nav skābekļa (O2) dziļi ģeoloģiskie apstākļi, kas dominē tālu no Zemes atmosfēras, ūdeņradis (H2) veidojas serpentinizācijas procesā, anaerobā oksidācijā ar ūdens protoniem (H+) no dzelzs silikāta (Fe2 +), kas atrodas fajalīta kristāliskajā režģī (Fe2SiO4, olivīna-dzelzs mināls) . Atbilstošā reakcija, kas noved pie magnetīta (Fe3O4), kvarca (SiO2) un ūdeņraža (H2) veidošanās: 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 faialīts + ūdens → magnetīts + kvarcs + ūdeņradis. Šī reakcija ļoti atgādina Šikorra reakciju, kas novērota dzelzs hidroksīda anaerobajā oksidācijā saskarē ar ūdeni.

Veidošanās transformatoros

No visām bīstamajām gāzēm, kas rodas jaudas transformatoros, ūdeņradis ir visizplatītākais, un tas rodas lielākajā daļā kļūdu; tādējādi ūdeņraža veidošanās ir agrīna pazīme nopietnām problēmām transformatora dzīves ciklā.

Lietojumprogrammas

Patēriņš dažādos procesos

Liels daudzums H2 ir nepieciešams naftas un ķīmiskajā rūpniecībā. Visvairāk H2 izmanto fosilā kurināmā pārstrādei (“modernizācijai”) un amonjaka ražošanai. Naftas ķīmijas rūpnīcās H2 izmanto hidrodealkilēšanai, hidrodesulfurizācijai un hidrokrekingam. H2 ir vairāki citi svarīgi lietojumi. H2 izmanto kā hidrogenēšanas līdzekli, jo īpaši, lai palielinātu nepiesātināto tauku un eļļu piesātinājuma līmeni (atrodams tādos izstrādājumos kā margarīns) un metanola ražošanā. Tas ir arī ūdeņraža avots sālsskābes ražošanā. H2 izmanto arī kā reducētāju metālu rūdām. Ūdeņradis labi šķīst daudzos retzemju un pārejas metālos un šķīst gan nanokristāliskos, gan amorfos metālos. Ūdeņraža šķīdība metālos ir atkarīga no lokāliem kropļojumiem vai piemaisījumiem kristāliskajā režģī. Tas var būt noderīgi, ja ūdeņradi attīra, laižot cauri karstiem pallādija diskiem, taču gāzes augstā šķīdība ir metalurģijas problēma, kas trauslā daudzus metālus, apgrūtinot cauruļvadu un uzglabāšanas tvertnes projektēšanu. Papildus tam, ka H2 tiek izmantots kā reaģents, tam ir plašs pielietojumu klāsts fizikā un inženierzinātnēs. To izmanto kā aizsarggāzi metināšanas metodēs, piemēram, atomu ūdeņraža metināšanā. H2 izmanto kā rotora dzesēšanas šķidrumu elektrostaciju elektriskajos ģeneratoros, jo tam ir visaugstākā siltumvadītspēja no visām gāzēm. Šķidru H2 izmanto kriogēnos pētījumos, tostarp supravadītspējas pētījumos. Tā kā H2 ir vieglāks par gaisu, nedaudz vairāk par 1/14 no gaisa blīvuma, to kādreiz plaši izmantoja kā pacelšanas gāzi balonos un dirižabļos. Jaunākos lietojumos ūdeņradi izmanto tīrā veidā vai sajauc ar slāpekli (dažreiz to sauc par veidojošo gāzi) kā marķiergāzi tūlītējai noplūdes noteikšanai. Ūdeņradi izmanto automobiļu, ķīmijas, enerģētikas, kosmosa un telekomunikāciju nozarēs. Ūdeņradis ir atļauta pārtikas piedeva (E 949), kas ļauj pārbaudīt pārtikas noplūdi, kā arī citas antioksidanta īpašības. Retiem ūdeņraža izotopiem ir arī īpašs pielietojums. Deitēriju (ūdeņradi-2) izmanto kodola skaldīšanas lietojumos kā lēnu neitronu regulētāju un kodolsintēzes reakcijās. Deitērija savienojumus izmanto ķīmijas un bioloģijas jomā, pētot reakcijas izotopu efektus. Kodolreaktoros ražotais tritijs (ūdeņradis-3) tiek izmantots ūdeņraža bumbu ražošanā, kā izotopu marķieris bioloģijas zinātnēs un kā starojuma avots gaismas krāsās. Līdzsvara ūdeņraža trīskāršā punkta temperatūra ir noteicošais fiksētais punkts ITS-90 temperatūras skalā pie 13,8033 kelviniem.

Dzesēšanas līdzeklis

Ūdeņradi parasti izmanto spēkstacijās kā aukstumnesēju ģeneratoros, jo tam ir vairākas labvēlīgas īpašības, kas ir tiešs tā vieglo divatomisko molekulu rezultāts. Tie ietver zemu blīvumu, zemu viskozitāti un jebkuras gāzes augstāko īpatnējo siltumietilpību un siltumvadītspēju.

Enerģijas nesējs

Ūdeņradis nav enerģijas resurss, izņemot hipotētisku komerciālu kodolsintēzes spēkstaciju kontekstā, kurās izmanto deitēriju vai tritiju, kas pašlaik vēl nav nobriedusi. Saules enerģija nāk no ūdeņraža kodolsintēzes, taču šo procesu uz Zemes ir grūti panākt. Elementāram ūdeņradim no saules, bioloģiskiem vai elektriskiem avotiem tā ražošanai ir nepieciešams vairāk enerģijas, nekā nepieciešams tā sadedzināšanai, tāpēc šajos gadījumos ūdeņradis darbojas kā enerģijas nesējs, līdzīgi kā akumulators. Ūdeņradi var iegūt no fosilajiem avotiem (piemēram, metāna), taču šie avoti ir izsmelti. Gan šķidrā ūdeņraža, gan saspiestā gāzveida ūdeņraža tilpuma vienībā enerģijas blīvums pie jebkura praktiski sasniedzama spiediena ir ievērojami mazāks nekā parastajiem enerģijas avotiem, lai gan enerģijas blīvums uz degvielas masas vienību ir lielāks. Tomēr elementārais ūdeņradis ir plaši apspriests enerģētikas kontekstā kā iespējams nākotnes ekonomikas mēroga enerģijas nesējs. Piemēram, CO2 sekvestrāciju, kam seko oglekļa uztveršana un uzglabāšana, varētu veikt H2 ražošanas vietā no fosilā kurināmā. Transportā izmantotais ūdeņradis sadegs salīdzinoši tīri, ar dažām NOx emisijām, bet bez oglekļa emisijām. Tomēr infrastruktūras izmaksas, kas saistītas ar pilnīgu pāreju uz ūdeņraža ekonomiku, būs ievērojamas. Kurināmā elementi var efektīvāk nekā iekšdedzes dzinēji pārvērst ūdeņradi un skābekli tieši elektroenerģijā.

pusvadītāju rūpniecība

Ūdeņradi izmanto, lai piesātinātu amorfā silīcija un amorfā oglekļa piekārtās saites, kas palīdz stabilizēt materiāla īpašības. Tas ir arī potenciāls elektronu donors dažādos oksīdu materiālos, tostarp ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 un SrZrO3.

bioloģiskās reakcijas

H2 ir dažu anaerobā metabolisma produkts, un to ražo vairāki mikroorganismi, parasti reakcijās, ko katalizē dzelzi vai niķeli saturoši fermenti, ko sauc par hidrogenāzēm. Šie fermenti katalizē atgriezenisku redoksreakciju starp H2 un tā diviem protoniem un diviem elektronu komponentiem. Ūdeņraža gāzes veidošanās notiek, pārnesot reducējošus ekvivalentus, kas iegūti, fermentējot piruvātu, uz ūdeni. Dabisko ūdeņraža ražošanas un patēriņa ciklu organismos sauc par ūdeņraža ciklu. Ūdens sadalīšana, process, kurā ūdens tiek sadalīts tā sastāvā esošajos protonos, elektronos un skābeklī, notiek gaismas reakcijās visos fotosintēzes organismos. Daži šādi organismi, tostarp aļģes Chlamydomonas Reinhardtii un zilaļģes, ir attīstījuši otro posmu tumšās reakcijās, kurās protoni un elektroni tiek reducēti, veidojot H2 gāzi, izmantojot specializētas hidrogenāzes hloroplastā. Ir veikti mēģinājumi ģenētiski modificēt zilaļģu hidrāzes, lai efektīvi sintezētu H2 gāzi pat skābekļa klātbūtnē. Ir pieliktas arī pūles, izmantojot ģenētiski modificētas aļģes bioreaktorā.