WODÓR: HISTORIA, STRUKTURA, WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Wodoru jest pierwiastkiem, który jest reprezentowany przez H. Symbol atom najmniejszych wszystkich, jest jednym , który rozpoczyna okresowego pierwiastków, niezależnie od tego, w którym jest umieszczony. Składa się z bezbarwnego gazu składającego się z dwuatomowych cząsteczek H ₂ , a nie izolowanych atomów H; jak w przypadku gazów szlachetnych m.in. He, Ne, Ar.

Ze wszystkich pierwiastków jest chyba najbardziej emblematycznym i wybitnym, nie tylko ze względu na swoje właściwości w warunkach ziemskich lub drastycznych, ale także z powodu ogromnej obfitości i różnorodności jego związków. Wodór jest gazem, chociaż obojętnym w przypadku braku ognia, łatwopalnym i niebezpiecznym; podczas gdy woda, H ₂ O, jest uniwersalnym i żywym rozpuszczalnikiem.

Czerwone butle używane do przechowywania wodoru. Źródło: Famartin

Wodór sam w sobie nie wykazuje żadnych wizualnych osobliwości godnych podziwu, będąc po prostu gazem przechowywanym w butlach lub czerwonych butlach. Jednak to właśnie jego właściwości i zdolność wiązania się ze wszystkimi pierwiastkami sprawiają, że wodór jest wyjątkowy. A wszystko to pomimo tego, że ma tylko jeden elektron walencyjny.

Gdyby wodór nie był przechowywany w odpowiednich butlach, uciekałby w kosmos, podczas gdy znaczna jego część reaguje podczas wznoszenia. I chociaż ma bardzo niskie stężenie w powietrzu, którym oddychamy, poza Ziemią i resztą Wszechświata, jest pierwiastkiem najobficiej występującym w gwiazdach i uważanym za jednostkę jego budowy.

Z drugiej strony na Ziemi stanowi około 10% jego całkowitej masy. Aby wyobrazić sobie, co to oznacza, należy wziąć pod uwagę, że powierzchnia planety jest praktycznie pokryta oceanami i że wodór znajduje się w minerałach, ropie naftowej i wszelkich związkach organicznych, oprócz tego, że jest częścią wszystkich żywych istot.

Podobnie jak węgiel, wszystkie biocząsteczki (węglowodany, białka, enzymy, DNA itp.) Mają atomy wodoru. Dlatego istnieje wiele źródeł, z których można je wydobywać lub wytwarzać; jednak niewielu reprezentuje naprawdę opłacalne metody produkcji.

Historia

Identyfikacja i imię

Chociaż w 1671 roku Robert Boyle po raz pierwszy był świadkiem gazu, który powstał w wyniku reakcji opiłków żelaza z kwasami, to brytyjski naukowiec Henry Cavendish w 1766 roku zidentyfikował go jako nową substancję; „powietrze łatwopalne”.

Cavendish odkrył, że kiedy to rzekomo łatwopalne powietrze spłonęło, wytworzyła się woda. Bazując na swoich pracach i wynikach, francuski chemik Antoine Lavoisier nadał temu gazowi nazwę wodoru w 1783 r. Etymologicznie jego znaczenie wywodzi się od greckich słów „hydro” i „genes”: formowanie wody.

Elektroliza i paliwo

Niedługo potem, w 1800 roku, amerykańscy naukowcy William Nicholson i Sir Anthony Carlisle odkryli, że woda może rozkładać się na wodór i tlen; znaleźli elektrolizę wody. Później, w 1838 roku, szwajcarski chemik Christian Friedrich Schoenbein przedstawił pomysł wykorzystania spalania wodoru do wytwarzania energii elektrycznej.

Popularność wodoru była taka, że ​​nawet pisarz Jules Verne nazwał go paliwem przyszłości w swojej książce The Mysterious Island (1874).

Izolacja

W 1899 roku szkocki chemik James Dewar jako pierwszy wyodrębnił wodór w postaci skroplonego gazu, będąc tym, który był w stanie go wystarczająco schłodzić, aby uzyskać go w fazie stałej.

Dwa kanały

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

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Dwuatomowa cząsteczka wodoru. Źródło: Benjah-bmm27

Atomy wodoru są bardzo małe i mają tylko jeden elektron do tworzenia wiązań kowalencyjnych. Kiedy dwa z tych atomów łączą się, tworzą dwuatomową cząsteczkę H ₂ ; to jest wodór cząsteczkowy (górne zdjęcie). Każda biała kula odpowiada pojedynczemu atomowi H, a globalna kula - orbitalom molekularnym.

Tak więc, wodór w rzeczywistości składa się z bardzo małej H ₂ cząsteczek , które oddziałują przez Londyn rozpraszania sił, gdyż brak jest moment dipolowy, ponieważ są one homojądrowych. Dlatego są bardzo „niespokojne” i szybko rozprzestrzeniają się w kosmosie, ponieważ nie ma wystarczająco silnych sił międzycząsteczkowych, aby je spowolnić.

Konfiguracja elektronowa wodoru to po prostu 1s ¹ . Ta orbital 1s jest wynikiem rozwiązania słynnego równania Schrödingera dla atomu wodoru. W H _2, dwa orbitale 1s zachodzą na siebie, tworząc dwa orbitale molekularne: jeden wiążący, a drugi przeciwwiązujący, zgodnie z teorią orbitali molekularnych (TOM).

Te orbitale pozwalają lub wyjaśniają istnienie jonów H ₂ ⁺ lub H ₂ ^- ; jednakże chemia wodoru jest definiowana w normalnych warunkach przez jony H ₂ lub H ⁺ lub H ^- .

Liczby utleniania

Na podstawie konfiguracji elektronowej wodoru 1s ¹ bardzo łatwo jest przewidzieć jego możliwe stopnie utlenienia; mając oczywiście na uwadze, że orbital 2s o wyższej energii nie jest dostępny dla wiązań chemicznych. Tak więc w stanie podstawowym wodór ma stopień utlenienia 0, H ⁰ .

Jeśli straci swój jedyny elektron, orbital 1s pozostaje pusty, a kation wodorowy lub jon H ⁺ tworzy się z dużą ruchliwością w prawie każdym płynnym ośrodku; zwłaszcza woda. W tym przypadku jego stopień utlenienia wynosi +1.

A gdy stanie się odwrotnie, to znaczy zdobędzie elektron, orbital będzie miał teraz dwa elektrony i stanie się 1s ² . Następnie stopień utlenienia wynosi -1 i odpowiada anionowi wodorkowemu, H ^- . Warto zauważyć, że H ^- jest izoelektroniczne względem helu gazu szlachetnego, He; to znaczy, oba gatunki mają taką samą liczbę elektronów.

W skrócie, wartości utlenienia wodór to: +1, -1, 0 i cząsteczka H ₂ ma jako mający dwa atomy wodoru H ⁰ .

Fazy

Preferowaną fazą wodoru, przynajmniej w warunkach lądowych, jest faza gazowa, z przyczyn wcześniej wystawionych. Jednak gdy temperatura spada o około -200 ° C lub gdy ciśnienie wzrasta setki tysięcy razy niż atmosferyczne, wodór może skraplać się lub krystalizować odpowiednio w fazie ciekłej lub stałej.

W tych warunkach, H ₂ cząsteczki mogą być ustawione w różny sposób określają wzory strukturalne. W Londyn siły rozpraszania się obecnie wysoce kierunkowa, a zatem geometrię lub symetrie przyjęte przez H ₂ pojawiają się pary .

Na przykład dwie pary H ₂ , to jest równe pismu (H ₂ ) ₂ definiujące symetryczny lub asymetryczny kwadrat. Tymczasem trzy pary H ₂ lub (H ₂ ) ₃ definiują sześciokąt, bardzo podobny do węgla w kryształach grafitu. W rzeczywistości ta faza heksagonalna jest główną lub najbardziej stabilną fazą dla stałego wodoru.

A co, jeśli ciało stałe nie składa się z cząsteczek, ale z atomów H? Wtedy zajmiemy się metalicznym wodorem. Te atomy H, przypominając białe kule, mogą definiować zarówno fazę ciekłą, jak i metaliczne ciało stałe.

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Wodór to bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku gaz. Dlatego wyciek grozi wybuchem.

Temperatura wrzenia

-253 ° C

Temperatura topnienia

-259 ° C

Temperatura zapłonu i stabilność

Eksploduje praktycznie w każdej temperaturze, jeśli w pobliżu gazu znajduje się iskra lub źródło ciepła, nawet światło słoneczne może spowodować zapłon wodoru. Jednak dopóki jest dobrze przechowywany, jest gazem słabo reaktywnym.

Gęstość

0,082 g / l Jest 14 razy lżejszy od powietrza.

Rozpuszczalność

1,62 mg / L przy 21 ºC w wodzie. Ogólnie rzecz biorąc, jest nierozpuszczalny w większości cieczy.

Ciśnienie pary

1,24 · 10 ⁶ mmHg w 25 ° C. Wartość ta daje wyobrażenie o tym, jak zamknięte muszą być butle z wodorem, aby zapobiec ucieczce gazu.

Temperatura samozapłonu

560 V ° C.

Elektroujemność

2,20 w skali Paulinga.

Ciepło spalania

-285,8 kJ / mol.

Ciepło parowania

0,90 kJ / mol.

Ciepło topnienia

0,117 kJ / mol.

Izotopy

„Normalnym” atomem wodoru jest prot, ¹ H, który stanowi około 99,985% wodoru. Dwa inne izotopy tego elementu są deuter, ² H, trytu, ³ H Różnią liczby neutronów; deuter ma jeden neutron, podczas gdy tryt ma dwa.

Izomery spinowe

Istnieją dwa rodzaje wodoru cząsteczkowego, H ₂ : orto i para. W pierwszym, dwa spiny (protonu) atomów H są zorientowane w tym samym kierunku (są równoległe); podczas gdy w drugim oba spiny są w przeciwnych kierunkach (są przeciwrównoległe).

Wodór-para jest bardziej stabilnym z dwóch izomerów; ale wraz ze wzrostem temperatury stosunek orto: para wynosi 3: 1, co oznacza, że ​​izomer wodoru-orto przeważa nad pozostałymi. W bardzo niskich temperaturach (zdalnie bliskich zeru absolutnemu, 20K) można otrzymać próbki czystego wodoru-para.

Nomenklatura

Nomenklatura odnosząca się do wodoru jest jedną z najprostszych; chociaż nie jest tak samo w przypadku jego związków nieorganicznych lub organicznych. Oprócz `` wodoru '' H ₂ można nazwać następującymi nazwami:

-Molekularny wodór

-Diwodór

-Diatomiczna cząsteczka wodoru.

Dla jonu H ⁺ ich nazwy to jon protonowy lub jon wodorowy; a jeśli jest w środowisku wodnym, H ₃ O ⁺ , kation hydroniowy. Podczas gdy jon H ^- jest anionem wodorkowym.

Atom wodoru

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

Atom wodoru jest najprostszy ze wszystkich i zwykle jest przedstawiony jak na powyższym obrazku: jądro z pojedynczym protonem (przez ¹ H), otoczone elektronem, który rysuje orbitę. Wszystkie orbitale atomowe pozostałych pierwiastków układu okresowego zostały skonstruowane i oszacowane na tym atomie.

Bardziej wierną reprezentacją dla obecnego rozumienia atomów byłaby sfera, której obwód jest określony przez elektron i probabilistyczną chmurę elektronu (jego orbital 1s).

Gdzie znaleźć i produkcja

Pole gwiazd: niewyczerpane źródło wodoru. Źródło: Pixabay.

Wodór jest, choć może w mniejszym stopniu niż węgiel, pierwiastkiem chemicznym, o którym bez wątpienia można powiedzieć, że występuje wszędzie; w powietrzu, tworząc część wody, która wypełnia morza, oceany i nasze ciała, w ropę naftową i minerały, a także w związkach organicznych, które są gromadzone w celu stworzenia życia.

Wystarczy przejrzeć dowolną bibliotekę związków, aby znaleźć w nich atomy wodoru.

Nie chodzi o to, ile, ale jak to jest obecne. Na przykład cząsteczka H ₂ jest tak lotna i reaktywna pod wpływem światła słonecznego, które jest bardzo niskie w atmosferze; dlatego reaguje łącząc się z innymi elementami i zyskując w ten sposób stabilność.

Podczas gdy wyżej w kosmosie wodór występuje głównie w postaci neutralnych atomów, H.

W rzeczywistości uważa się, że wodór w fazie metalicznej i skondensowanej jest budulcem gwiazd. Ponieważ jest ich niezmierzonych ilości, a ze względu na swoją solidność i kolosalne wymiary sprawiają, że jest to najbardziej rozpowszechniony w całym wszechświecie. Szacuje się, że 75% znanej materii to atomy wodoru.

naturalny

Zbieranie atomów wodoru luźnych w kosmosie brzmi niepraktycznie, a wydobywanie ich z peryferii Słońca lub mgławic, nieosiągalnych. Na Ziemi, gdzie warunki wymuszają istnienie tego pierwiastka w postaci H ₂ , można go wytworzyć w procesach naturalnych lub geologicznych.

Na przykład wodór ma swój własny naturalny cykl, w którym niektóre bakterie, drobnoustroje i glony mogą go wytwarzać poprzez reakcje fotochemiczne. Skalowanie naturalnych procesów i równolegle z nimi obejmuje stosowanie bioreaktorów, w których bakterie żywią się węglowodorami, aby uwolnić zawarty w nich wodór.

Istoty żywe są również producentami wodoru, ale w mniejszym stopniu. Gdyby tak nie było, nie byłoby możliwe wyjaśnienie, w jaki sposób stanowi jeden z gazowych składników wzdęć; które zostały nadmiernie udowodnione jako łatwopalne.

Na koniec należy wspomnieć, że w warunkach beztlenowych (bez tlenu), na przykład w warstwach podziemnych, minerały mogą powoli reagować z wodą, tworząc wodór. Dowodzi tego reakcja Fayelity:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

Przemysłowy

Chociaż Biowodór jest alternatywą dla uzyskania tego gazu na skalę przemysłową, najczęściej stosowane sposoby w praktyce składają się z „” do usuwania wodoru ze związków, które go zawierają, tak że atomy połączyć się i tworzą H ₂ .

Najmniej przyjaznymi dla środowiska metodami jego wytwarzania jest reakcja koksu (lub węgla drzewnego) z przegrzaną parą:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

W tym celu wykorzystano również gaz ziemny:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

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

Inną metodą otrzymywania wodoru jest zastosowanie wyładowania elektrycznego do wody w celu rozbicia jej na części elementarne (elektroliza):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

W laboratorium

Wodór cząsteczkowy można przygotować w małych ilościach w dowolnym laboratorium. Aby to zrobić, aktywny metal należy poddać reakcji z mocnym kwasem, w zlewce lub w probówce. Widoczne bulgotanie jest wyraźną oznaką tworzenia się wodoru, reprezentowaną przez następujące ogólne równanie:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

Gdzie n jest wartościowością metalu. Na przykład magnez reaguje z H ^+, tworząc H ₂ :

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

Reakcje

Redox

Same stopnie utlenienia dają pierwszy wgląd w udział wodoru w reakcjach chemicznych. H ₂ podczas reakcji może pozostać niezmieniony lub rozszczepić się na jony H ⁺ lub H ^{- w} zależności od tego, z jakim związkiem się wiąże; jeśli są mniej lub bardziej elektroujemne niż to.

H ₂ nie są bardzo reaktywne ze względu na siłę jego wiązanie kowalencyjne, HH; nie jest to jednak absolutna przeszkoda, aby reagował i tworzył związki z prawie wszystkimi pierwiastkami układu okresowego.

Jego najbardziej znaną reakcją jest reakcja gazu tlenowego z wytworzeniem oparów wody:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

I takie jest jego powinowactwo do tlenu, aby utworzyć stabilną cząsteczkę wody, że może nawet reagować z nią jako anion O ^2- w niektórych tlenkach metali:

H ₂ (g) + CuO (s) → Cu (s) + H ₂ O (l)

Tlenek srebra również reaguje lub jest „redukowany” w tej samej reakcji:

H ₂ (g) + AgO (s) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Te reakcje wodoru odpowiadają typowi redoks. To znaczy utlenianie redukcyjne. Wodór utlenia się zarówno w obecności tlenu, jak i tlenków metali mniej reaktywnych od niego metali; na przykład miedź, srebro, wolfram, rtęć i złoto.

Wchłanianie

Niektóre metale mogą absorbować wodór, tworząc wodorki metali, które są uważane za stopy. Na przykład metale przejściowe, takie jak pallad, absorbują znaczne ilości H2 _, będąc podobnym do metalowych gąbek.

To samo dzieje się z bardziej złożonymi stopami metali. W ten sposób wodór można przechowywać innymi środkami niż butle.

Dodanie

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

Dla metali, H- ₂ cząsteczki są otoczone atomów metali w ich kryształy; podczas gdy w cząsteczkach organicznych wiązanie HH pęka, tworząc inne wiązania kowalencyjne. W bardziej sformalizowanym sensie: wodór nie jest absorbowany, ale jest dodawany do struktury.

Klasycznym przykładem jest dodanie H ₂ do podwójnego lub potrójnego wiązania odpowiednio alkenów lub alkinów:

C = C + H ₂ → HCCH

C≡C + H ₂ → HC = CH

Te reakcje są również nazywane uwodornieniem.

Tworzenie wodorków

Wodór reaguje bezpośrednio z pierwiastkami, tworząc rodzinę związków chemicznych zwanych wodorkami. Występują głównie w dwóch typach: solnych i molekularnych.

Podobnie, istnieją wodorki metali, które składają się ze stopów metali już wspomnianych, gdy metale te absorbują gazowy wodór; i polimerowe, z sieciami lub łańcuchami wiązań EH, gdzie E oznacza pierwiastek chemiczny.

Solankowy

W wodorkach solnych wodór uczestniczy w wiązaniach jonowych jako anion wodorkowy, H ^- . Aby to powstało, pierwiastek z konieczności musi być mniej elektroujemny; w przeciwnym razie nie oddałby swoich elektronów na rzecz wodoru.

Dlatego wodorki soli powstają tylko wtedy, gdy wodór reaguje z metalami silnie elektrododatnimi, takimi jak metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych.

Na przykład wodór reaguje z metalicznym sodem, tworząc wodorek sodu:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

Lub z barem do produkcji wodoru baru:

Ba (s) + H ₂ (g) → BaH ₂ (s)

Molekularny

Wodorki molekularne są jeszcze lepiej znane niż wodorki jonowe. Nazywa się je również halogenkami wodoru, HX, gdy wodór reaguje z halogenem:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2 HCl (g)

Tutaj wodór uczestniczy w wiązaniu kowalencyjnym jako H ⁺ ; ponieważ różnice między elektroujemnościami między obydwoma atomami nie są zbyt duże.

Samą wodę można uznać za wodorek tlenu (lub tlenek wodoru), którego reakcja powstawania została już omówiona. Reakcja z siarką jest bardzo podobna, dając siarkowodór, śmierdzący gaz:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

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

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

Aplikacje

W poprzedniej sekcji omówiono już jedno z głównych zastosowań wodoru: jako surowiec do rozwoju syntezy, nieorganicznej lub organicznej. Kontrolowanie tego gazu zwykle nie ma innego celu, jak tylko skłonienie go do reakcji z wytworzeniem innych związków niż te, z których został wydobyty.

Surowiec

- Jest jednym z odczynników do syntezy amoniaku, który z kolei ma nieskończone zastosowania przemysłowe, począwszy od produkcji nawozów, nawet jako materiał do leków azotowych.

- Ma reagować z tlenkiem węgla, a tym samym masowo wytwarzać metanol, odczynnik bardzo ważny w biopaliwach.

Środek redukujący

- Jest reduktorem niektórych tlenków metali, dlatego jest stosowany w redukcji metalurgicznej (już wyjaśniono w przypadku miedzi i innych metali).

- Zmniejsz ilość tłuszczów lub olejów, aby wyprodukować margarynę.

Przemysł naftowy

W przemyśle naftowym wodór jest używany do „hydrorafinacji” ropy naftowej w procesach rafinacji.

Na przykład dąży do fragmentacji dużych i ciężkich cząsteczek na małe cząsteczki o większym zapotrzebowaniu na rynku (hydrokraking); uwolnić metale uwięzione w klatkach z petroporfiryną (hydrodmetalizacja); usunięcia atomów siarki jako H ₂ S (hydroodsiarczania); lub zredukuj wiązania podwójne, aby stworzyć mieszanki bogate w parafinę.

Paliwo

Wodór sam w sobie jest doskonałym paliwem dla rakiet czy statków kosmicznych, ponieważ niewielkie jego ilości w reakcji z tlenem uwalniają ogromne ilości ciepła lub energii.

Na mniejszą skalę ta reakcja jest wykorzystywana do projektowania ogniw wodorowych lub baterii. Jednak te komórki napotykają trudności związane z niemożnością prawidłowego przechowywania tego gazu; oraz wyzwanie, jakim jest całkowite uniezależnienie się od spalania paliw kopalnych.

Z drugiej strony, wodór używany jako paliwo uwalnia jedynie wodę; zamiast gazów, które stanowią środek zanieczyszczający atmosferę i ekosystemy.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui i Yanming Ma. (Nd). Struktury stałego wodoru w temperaturze pokojowej pod wysokim ciśnieniem. State Key Lab of Superhard Materials, Jilin University, Changchun 130012, Chiny.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Ciekły wodór metaliczny: element konstrukcyjny dla płynnego słońca. Department of Radiology, The Ohio State University, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, USA.
4. Grupa Bodner. (sf). Chemia wodoru. Odzyskany z: chemed.chem.purdue.edu
5. Wikipedia. (2019). Wodór. Odzyskane z: en.wikipedia.org
6. Hydrogen Europe. (2017). Zastosowania wodoru. Odzyskany z: hydrogeneurope.eu
7. Foist Laura. (2019). Wodór: właściwości i występowanie. Badanie. Odzyskany z: study.com
8. Jonas James. (4 stycznia 2009). Historia wodoru. Odzyskane z: altenergymag.com