Historia wodoru, struktura, właściwości i zastosowania

On wodór Jest to element chemiczny reprezentowany przez symbol h. Jego atom jest najmniejszy ze wszystkich i to, z którym zaczyna się okres okresowy, niezależnie od tego, gdzie jest ustawiony. Składa się z bezbarwnego gazu złożonego z cząsteczek okrzemkowych H₂, i nie dla izolowanych atomów H; jak w przypadku szlachetnych gazów on, NE, AR,.

Ze wszystkich elementów jest to być może najbardziej symboliczne i podkreślone, nie tylko ze względu na jego właściwości w warunkach naziemnych lub drastycznych, ale także ze względu na ogromną obfitość i różnorodność jego związków. Wodór jest gazem, choć bezwładnym przy braku pożaru, łatwopalny i niebezpieczny; Podczas wody, h₂Lub jest to uniwersalny rozpuszczalnik i życie.

Czerwone cylindry używane do przechowywania wodoru. Źródło: Famartin [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/nabrzeże/4.0)]

Sam wodór nie wykazuje wizualnej szczególności warty podziwiania, po prostu bycia gazem przechowywanym w czerwonych cylindrach lub piasty. Są to jednak jego właściwości i zdolność do łączenia się ze wszystkimi elementami, które powraca do specjalnego wodoru. A wszystko to, chociaż ma tylko elektron z Walencji.

Gdyby wodór nie jest przechowywany w odpowiednich cylindrach, uciekłby w przestrzeni, podczas gdy duża część reaguje na wzniesienie. I nawet jeśli ma bardzo niskie stężenie w powietrzu, oddychamy, poza Ziemią i w pozostałej części wszechświata, jest to najliczniejszy element, który jest w gwiazdach i uważany za jednostkę budowlaną.

Z drugiej strony na ziemi reprezentuje około 10% całkowitej masy. Aby wizualizować, co to oznacza, należy uznać, że powierzchnia planety jest praktycznie pokryta oceanami i że wodór znajduje się w minerałach, w oleju naftowym i w każdym związku organicznym, oprócz bycia częścią wszystkich żywych istot.

Podobnie jak węgiel, wszystkie biomolekuły (węglowodany, białka, enzymy, DNA itp.) Mają atomy wodoru. Dlatego istnieje wiele źródeł do wyodrębnienia lub produkcji; Jednak niewielu reprezentuje naprawdę opłacalne metody produkcji.

[TOC]

Historia

Identyfikacja i nazwa

Chociaż w 1671 r. Robert Boyle był świadkiem po raz pierwszy gaz, który powstał, gdy pliki żelaza zareagowały z kwasami, był brytyjski naukowiec Henry Cavendish w 1766 r., Który zidentyfikował go jako nową substancję; „Łatwone powietrze”.

Cavendish stwierdził, że kiedy płonęło to rzekome łatwopalne powietrze, wytworzono wodę. W oparciu o swoją pracę i wyniki francuski chemik Antoine Lavoisier nadał temu gazowi nazwę wodoru w 1783 roku. Etymologicznie jego znaczenie pochodzi od greckich słów „hydro” i „geny”: formator wody.

Elektroliza i paliwo

Wkrótce po 1800 roku amerykańscy naukowcy William Nicholson i Sir Anthony Carlisle odkryli, że woda może rozłożyć się na wodór i tlen; znalazł elektrolizę wody. Następnie, E 1838, szwajcarski chemik Christian Friedrich Schoenbein wprowadził pomysł skorzystania z spalania wodoru w celu wytworzenia energii elektrycznej.

Popularność wodoru była tak bardzo, że nawet pisarz Julio Verne nazwał go paliwem przyszłości w swojej książce Tajemnicza wyspa (1874).

Izolacja

W 1899 r.

Dwa kanały

Od tego momentu historia wodoru przedstawia dwa kanały. Z jednej strony jego rozwój w dziedzinie paliw i baterii; A z drugiej strony zrozumienie struktury jego atomu i tego, jak reprezentował element, który otworzył drzwi do fizyki kwantowej.

Struktura elektroniczna i konfiguracja

Cząsteczka wodoru dwuatomiczna. Źródło: Benjah-BMM27 [domena publiczna]

Atomy wodoru są bardzo małe i ledwo mają elektron do tworzenia kowalencyjnych wiązań. Kiedy dwa z tych atomów spotykają się, dają powstanie cząsteczki okrzemkowej, h₂; To jest wodór molekularny gazowy (obraz doskonały). Każda biała kula odpowiada poszczególnej atomie H i globalnej kuli do orbitali molekularnych.

Zatem wodór naprawdę składa się z cząsteczek H₂ Bardzo małe, które wchodzą w interakcje za pośrednictwem londyńskich sił dyspersji, ponieważ brakuje im dipolowego momentu, aby być homonuklearnym. Dlatego są bardzo „niespokojne” i szybko rozprzestrzeniają się w przestrzeni, ponieważ nie ma silnych sił międzycząsteczkowych, aby je spowolnić.

Elektroniczna konfiguracja wodoru wynosi po prostu 1s¹. Ten orbital, 1s, jest wynikiem rozdzielczości słynnego równania Schrödingera dla atomu wodorowego. W h₂ Dwa 1S orbitale pokrywają się, tworząc dwa orbitale molekularne: jeden z linków i drugi antienlace, zgodnie z teorią orbitalną molekularną (TOM).

Te orbitale pozwalają lub wyjaśniają istnienie jonów H₂⁺ lub h₂^-; Jednak chemia wodoru jest zdefiniowana w normalnych warunkach przez H₂ lub jony h⁺ lub h^-.

Liczby utleniania

Z konfiguracji elektronicznej dla wodoru, 1s¹, Bardzo łatwo jest przewidzieć możliwe liczby utleniania; Mając oczywiście na uwadze, że Orbital 2s większej energii nie jest dostępna dla połączeń chemicznych. Zatem w stanie podstawowym wodór ma liczbę utleniania 0, h⁰.

Może ci służyć: wodorotlenek niklu (ii): struktura, właściwości, zastosowania, ryzyko

Jeśli stracisz jedyny elektron, orbital 1s jest pusty i powstaje kation lub jon wodoru, h, h⁺, wielkiej mobilności w prawie każdym płynnym pożywce; zwłaszcza woda. W tym przypadku jego liczba utleniania wynosi +1.

A kiedy nastąpi odwrotnie, to znaczy wygrywanie elektronu, orbital będzie miał teraz dwa elektrony i będzie 1s². Wówczas numer utleniania wynosi -1 i odpowiada anionowi wodoremu, h^-. Warto zauważyć, że h^- On jest izolektroniczny do szlachetnego gazu helu, on; Oznacza to, że oba gatunki mają taką samą liczbę elektronów.

Podsumowując, liczby utleniania wodoru to: +1, 0 i -1 i cząsteczka H₂ liczy się tak, jakby mieli dwa atomy wodoru h⁰.

Fazy

Ulubioną fazą wodoru, przynajmniej w warunkach naziemnych, jest soda, z powodu wcześniej podanych powodów. Jednak gdy temperatury spadają rzędu -200 °.

W tych warunkach cząsteczki h₂ Mogą dostosować się do różnych sposobów definiowania wzorców strukturalnych. Londyńskie siły dyspersji stają się teraz wysoce kierunkowe, a zatem pojawiają się geometrie lub symetrie przyjęte przez rówieśników₂.

Na przykład dwa hsses h₂, To jest jak pisanie (h₂)₂ Zdefiniuj kwadrat symetryczny lub asymetryczny. Tymczasem trzy pary h₂, lub (h₂)₃ Definiują sześciokąt, bardzo podobny do węgla w kryształach grafitowych. W rzeczywistości ta faza heksagonalna jest główną lub najbardziej stabilną dla wodoru stałego.

Ale co jeśli ciał stał? Następnie poradzimy sobie z metalicznym wodorem. Te atomy H, pamiętające białe kule, mogą zdefiniować zarówno fazę ciekłą, jak i metaliczną substancję stałą.

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Wodór jest bezbarwnym, bezwonnym i bez smaku gazem. Dlatego jeśli występuje wyciek, stanowi ryzyko wybuchu.

Punkt wrzenia

-253 ° C.

Temperatura topnienia

-259 ° C.

Punkt zapłonowy i stabilność

Praktycznie eksploduje w dowolnej temperaturze, jeśli jest iskra lub źródło ciepła w pobliżu gazu, nawet światło słoneczne może pożarować wodór. Jednak tak długo, jak jest dobrze przechowywany, jest to trochę gazowy.

Gęstość

0,082 g/l. Jest 14 razy lżejszy niż powietrze.

Rozpuszczalność

1,62 mg/l przy 21 ° C w wodzie. Ogólnie jest nierozpuszczalny w większości płynów.

Ciśnienie pary

1,24 · 10⁶ MMHG w 25 ° C. Ta wartość daje wyobrażenie o tym, jak zamknięte muszą być cylindry wodorowe, aby zapobiec ucieczce gazu.

Temperatura samo -kierunkowego

560VºC.

Elektronialiczność

2.20 w skali Pauling.

Ciepło spalania

-285,8 kJ/mol.

Ciepło parowe

0,90 kJ/mol.

Fusion Heat

0,117 kJ/mol.

Izotopy

„Normalny” atom wodoru jest proto, ¹H, który stanowi około 99,985% wodoru. Pozostałe dwa izotopy dla tego elementu to deuter, ²H i tritium, ³H. Różnią się one liczbą neutronów; Deuter ma neutron, a Tritio ma dwa.

Izomery kolce

Istnieją dwa rodzaje molekularnego wodoru, h₂: Ortho i za. W pierwszym obroty (protonu) atomów H są zorientowane w ten sam kierunek (są równoległe); Podczas drugiego dwa obroty są w przeciwnych kierunkach (są antyrównoległe).

Wodór jest najbardziej stabilny z dwóch izomerów; Ale zwiększając temperaturę, relacja orto: stać się 3: 1, co oznacza, że ​​izomer wodoru-narząd. W bardzo niskich temperaturach (zdalnie zbliżone do bezwzględnego zera, 20K), czysty wodór.

Nomenklatura

Nomenklatura odnosząca się do wodoru jest jednym z najprostszych; Chociaż nie jest to w ten sam sposób dla ich związków nieorganicznych lub organicznych. H₂ Można to wywołać z następującymi nazwami oprócz „wodoru”:

-Wodór molekularny

-Dihydrogen

-Cząsteczka wodoru dwuatomiczna.

Dla jonu h⁺ Ich nazwy to proton lub jon wodoru; A jeśli jest w wodnym nośniku, h₃ALBO⁺, Kation hydroniowy. Podczas gdy jon h^- Jest to anion wodordu.

Atom wodoru

Atom wodoru reprezentowany przez model planetarny Bohra. Źródło: Pixabay.

Atom wodoru jest najprostszy ze wszystkich i jest zwykle reprezentowany jak na obrazie wyższym: jądro z protonem samotnym (dla ¹H), otoczony elektronem, który rysuje orbitę. Na tym atomie wszystkie orbitale atomowe dla innych elementów stolika okresowego zostały zbudowane i oszacowane.

Bardziej lojalną reprezentacją dla obecnego zrozumienia atomów byłoby sferę, której peryferia jest zdefiniowane przez elektroniczną i probabilistyczną chmurę elektronu (jego orbital 1S).

Może ci służyć: termiczna: struktura, charakterystyka, formacja, przykłady

Gdzie jest i produkcja

Pole gwiazd: niewyczerpane źródło wodoru. Źródło: Pixabay.

Wodór jest, choć być może w mniejszym stopniu w porównaniu z węglem, elementem chemicznym, który można powiedzieć bez wątpienia, który jest wszędzie; W powietrzu, oprócz wody, która wypełnia morza, oceany i nasze ciała, w ropie naftowej i minerałach, a także w związkach organicznych, które są składane w celu pochodzenia życia.

Wystarczy, aby powierzchownie spojrzeć na dowolną złożoną księgarnię, aby znaleźć w nich atomy wodoru.

Pytanie polega na nie tyle, ile jest obecne. Na przykład cząsteczka m₂ Jest tak lotny i reaktywny podczas występowania promieni słonecznych, co jest bardzo rzadkie w atmosferze; Dlatego reaguje, aby dołączyć do innych elementów, a tym samym zyskać stabilność.

Podczas gdy powyżej, w kosmosie wodór jest głównie jako neutralne atomy, h.

W rzeczywistości wodór jest uważany za metalową i skondensowaną fazę, taką jak Star Construction Unit. Kiedy są ich niezmierzone ilości, a ze względu na ich solidność i kolosalne wymiary, czynią ten element najliczniejszy z całego wszechświata. Szacuje się, że 75% znanej materii odpowiada atomom wodoru.

Naturalny

Zbierz atomy luźnych hydrogenów w przestrzeni brzmią niezmiennie i wyodrębniają je z peryferyjnych słońca lub mglistego, nieosiągalnego. Na ziemi, gdzie jego warunki zmuszają ten element do istnienia jako h₂, Może wystąpić w procesach naturalnych lub geologicznych.

Na przykład wodór ma swój naturalny cykl, w którym niektóre bakterie, drobnoustroje i glony mogą generować je poprzez reakcje fotochemiczne. Eskalacja naturalnych procesów i podobieństw obejmuje stosowanie bioreaktorów, w których bakterie żywią się węglowodorami do uwalniania w nich wodoru.

Żywe istoty są również producentami wodoru, ale w mniejszym stopniu. Jeśli tak, nie można wyjaśnić, w jaki sposób stanowi jeden z gazowych elementów wzdęcia; które nadmiernie wykazały, że są łatwopalne.

Wreszcie, warto wspomnieć, że w warunkach beztlenowych (bez tlenu), na przykład w podziemnych warstwach, minerały mogą powoli reagować z wodą w celu wytworzenia wodoru. Reakcja Fayelity to pokazuje:

3fe₂Sio₄ + 2 godz₂O → 2 Wiara₃ALBO₄ + 3 Sio₂ + 3 godz₂

Przemysłowy

Podczas gdy biohydrogen jest alternatywą dla generowania tego gazu w skalach przemysłowych, najczęściej stosowane metody są praktycznie „zabranie” wodoru na związki, które go zawierają₂.

Najmniejsze metody środowiskowe do jego wytwarzania składają się z reakcji koksu (lub węgla drzewnego) z przegrzaną pary wodne:

C (s) + h₂O (g) → CO (g) + h₂(G)

Podobnie w tym celu użyto gazu ziemnego:

Ch₄(g) + h₂O (g) → CO (g) + 3H₂(G)

A ponieważ ilości koksu lub gazu ziemnego są ogromne, opłacalne jest wytwarzanie wodoru przez jedną z tych dwóch reakcji.

Inną metodą uzyskania wodoru jest zastosowanie porażenia elektrycznego do wody w celu rozkładu w elementarnych częściach (elektroliza):

2 godz₂Lub (l) → 2 h₂(g) + lub₂(G)

W laboratorium

W każdym laboratorium wodór molekularny można przygotować w małych ilościach. Aby to zrobić, aktywny metal powinien być reakcji z silnym kwasem, w zlewce, albo w rurze testowej. Obserwowalny bąbelek jest wyraźnym oznaką tworzenia wodoru, reprezentowanego przez następujące ogólne równanie:

M (s) + NH⁺(AC) → M^N+(AC) + H₂(G)

Gdzie n jest metalową Walencją. Zatem na przykład magnez reaguje z H⁺ Produkować h₂:

Mg (s) + 2H⁺(AC) → Mg²⁺(AC) + H₂(G)

Reakcje

Rédox

Same liczby utleniania oferują pierwsze podejście do tego, w jaki sposób wodór uczestniczy w reakcjach chemicznych. H₂ Podczas reagowania może pozostać niezmieniony lub dzielić na jony H⁺ lub h^- w zależności od gatunku łączy; Jeśli są bardziej lub bardziej elektroongenacyjne niż on.

H₂ Jest mało reaktywny ze względu na siłę kowalencyjnego wiązania, H-H; Nie jest to jednak bezwzględna przeszkoda w reakcji i tworzeniu związków z prawie wszystkimi elementami stolika okresowego.

Jego najbardziej znana reakcja dotyczy reakcji gazu tlenu do wytwarzania oparów wodnych:

H₂(g) + lub₂(g) → 2H₂O (g)

I jest to takie powinowactwo do tlenu do tworzenia stabilnej cząsteczki wody, która może nawet reagować z nią jako anion lub^2- W niektórych tlenkach metali:

H₂(g) + cuo (s) → cu (s) + h₂Lub (l)

Również tlenek srebra reaguje lub „zmniejsza” w tej samej reakcji:

H₂(g) + sierpnia (s) → Ag (s) + h₂Lub (l)

Te reakcje wodoru odpowiadają reakcjom typu Rédox. To znaczy, redukcja-utlenianie. Wodór utlenia się zarówno w obecności tlenu, jak i tlenków metali o mniej reaktywnych metalach niż on; Na przykład miedź, srebro, wolfram, rtęć i złoto.

Wchłanianie

Niektóre metale mogą wchłaniać wodór gazowy z tworzeniem hydrorów metali, które są uważane za stopy. Na przykład metale przejściowe, takie jak Paladium, pochłaniają notoryczne ilości h_2, podobne do gąbek metalowych.

Może ci służyć: neodym: struktura, właściwości, użycia

To samo dzieje się z bardziej złożonymi stopami metali. W ten sposób wodór może być przechowywany w inne środki oprócz jego cylindrów.

Dodatek

Cząsteczki organiczne mogą również „wchłaniać” wodór poprzez mechanizmy molekularne i/lub różne interakcje.

W przypadku metali cząsteczki H₂ Są otoczone atomami metali wewnątrz ich kryształów; Podczas gdy w cząsteczkach organicznych wiązanie H-H jest zepsute w celu utworzenia innych kowalencyjnych wiązań. W bardziej sformalizowanym sensie: wodór nie jest wchłaniany, ale jest dodawany do struktury.

Klasycznym przykładem jest dodanie H₂ do podwójnego lub potrójnego linku odpowiednio alkenów lub alkin:

C = c + h₂  → H-C-C-H

C≡C + H₂ → HC = CH

Reakcje te otrzymują również nazwę uwodornienia.

Tworzenie się hydrosów

Wodór reaguje bezpośrednio na pierwiastki, tworząc rodzinę związków chemicznych zwanych Hydros. Istnieją głównie dwa typy: Salino i molekularne.

Istnieją również hydrory metali, które składają się ze stopów metali już wymienionych, gdy metale te pochłaniają wodór gazowy; oraz polimerowe, z sieciami lub łańcuchami wiązań e-H, gdzie oznacza element chemiczny.

Salinos

W hydrorach soli fizjologicznej wodór uczestniczy w wiązaniu jonowym, takim jak anion wodny, H, H^-. Aby to się utworzyć, element musi być koniecznie mniej elektroonywalny; W przeciwnym razie nie zrezygnowałby z elektronów do wodoru.

Dlatego hydros soli fizjologicznej powstają tylko wtedy, gdy wodór reaguje z bardzo elektropozytywnymi metaliami, takimi jak alkaliczne i alkaliczne.

Na przykład wodór reaguje z metalicznym sodem w celu wytworzenia wodorku sodu:

2na (s) + h₂(g) → 2nah (s)

Lub z barem do produkcji wodorku baru:

BA (S) + H₂(g) → Bah₂(S)

Molekularny

Wodorki molekularne są jeszcze lepiej znane niż jonowe. Otrzymują również nazwę halogenurozu wodoru, HX, gdy wodór reaguje z halogenem:

Cl₂(g) + h₂(g) → 2HCl (g)

Tutaj wodór uczestniczy w wiązaniu kowalencyjnym jako h⁺; Ponieważ różnice między elektroonywentami między obiema atomami nie są bardzo duże.

Tę samą wodę można uznać za wodorek tlenu (lub tlenek wodoru), którego reakcja tworzenia była już odsłonięta. Bardzo podobna jest reakcja z siarką w celu zapewnienia siarkowodoru, śmierdzącego gazu:

S (s) + h₂(g) → h₂S (g)

Ale ze wszystkich hydrorów molekularnych najbardziej znanym (i być może najtrudniejszym do syntezy) jest amoniak:

N₂(g) + 3H₂(g) → 2nh₃(G)

Aplikacje

W poprzednim rozdziale rozwiązano już jedno z głównych zastosowań wodoru: jako surowiec do rozwoju syntezy, nieorganicznych lub organicznych. Kontrolowanie tego gazu zwykle ma inny cel niż reagowanie na tworzenie innych związków różnych od tych, które zostały wyodrębnione.

Surowiec

- Jest to jedna z odczynników syntezy amoniaku, która z kolei ma niekończące się zastosowania przemysłowe, poczynając od opracowania nawozów, aż do jako materiał na leki azotowe.

- Ma na celu reakcję z tlenkiem węgla, a tym samym wytwarzanie metanolu, odczynnik o wysokiej zawartości biopaliw.

Środek redukujący

- Jest to czynnik redukujący niektóre tlenki metali, więc jest stosowane w redukcji metalurgicznej (już wyjaśniono w przypadku miedzi i innych metali).

- Zmniejsz tłuszcze lub oleje do produkcji margaryny.

Przemysł naftowy

W przemyśle naftowym wodór jest używany do „hydrotrataru” ropy naftowej w procesach udoskonalania.

Na przykład dąży do fragmentacji dużych i ciężkich cząsteczek w małych cząsteczkach i z większym popytem na rynku (hydrocracheus); Metale uwalniające uwięzione w klatkach petrroporfirynowych (hydrodesmetalizacja); Wyeliminuj atomy siarki jako h₂S (hydrodoarczzacja); lub zmniejsz podwójne linki, aby stworzyć bogate mieszanki w parafinach.

Paliwo

Sam wodór jest doskonałym paliwem do rakiet lub statku kosmicznego, ponieważ niewielkie ilości reagują z tlenem, uwalniają ogromne ilości ciepła lub energii.

Na mniejszą skalę ta reakcja jest stosowana do projektowania komórek lub akumulatorów wodoru. Jednak komórki te napotykają trudności z niemożności właściwego przechowywania tego gazu; i wyzwanie całkowicie niezależnego od spalania paliw kopalnych.

Po stronie pozytywnej, stosowanej jako paliwo, wodór uwalnia tylko wodę; Zamiast gazów reprezentujących środki zanieczyszczenia atmosfery i ekosystemów.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). MC Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui i Yanming Ma. (S.F.). Struktury w temperaturze pokojowej stałego wodoru przy wysokim ciśnieniu. State Key Lab of Superhard Materials, Jilin University, Changchun 130012, Chiny.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Płynny metalowy wodór: blok konstrukcyjny dla ciekłego słońca. Department of Radiology, Ohio State University, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, USA.
4. Grupa Bodnera. (S.F.). Chemia wodoru. Źródło: chemed.Chem.Purdue.Edu
5. Wikipedia. (2019). Wodór. Źródło: w:.Wikipedia.org
6. Europa wodoru. (2017). Zastosowania wodoru. Odzyskane z: hydrogeneuropejski.UE
7. Foist Laura. (2019). Wodór: właściwości i występowanie. Badanie. Odzyskane z: Study.com
8. Jonas James. (4 stycznia 2009). Historia wodoru. Źródło: AltenergyMag.com