Waterstof H is een chemisch element, een van de meest voorkomende in ons heelal. De massa waterstof als element in de samenstelling van stoffen is 75% van het totale geh alte aan atomen van een ander type. Het is opgenomen in de belangrijkste en meest vitale verbinding op aarde - water. Een onderscheidend kenmerk van waterstof is ook dat het het eerste element is in het periodiek systeem van chemische elementen van D. I. Mendelejev.
Ontdekking en verkenning
De eerste verwijzingen naar waterstof in de geschriften van Paracelsus dateren uit de zestiende eeuw. Maar de isolatie ervan van het gasmengsel van lucht en de studie van brandbare eigenschappen werden al in de zeventiende eeuw gedaan door de wetenschapper Lemery. Waterstof werd grondig bestudeerd door de Engelse scheikundige, natuurkundige en natuuronderzoeker Henry Cavendish, die experimenteel aantoonde dat de massa van waterstof de kleinste is in vergelijking met andere gassen. In de daaropvolgende stadia van de ontwikkeling van de wetenschap werkten veel wetenschappers met hem samen, met name Lavoisier, die hem 'het baren van water' noemde.
Kenmerkend volgens de positie in de PSHE
Element dat opentperiodiek systeem van D. I. Mendelejev, is waterstof. De fysische en chemische eigenschappen van het atoom vertonen enige dualiteit, aangezien de waterstof gelijktijdig wordt toegewezen aan de eerste groep, de hoofdsubgroep, als het zich als een metaal gedraagt en een enkel elektron afstaat in het proces van een chemische reactie, en aan de zevende - in het geval van volledige vulling van de valentieschaal, dat wil zeggen, ontvangst negatief deeltje, wat het kenmerkt als vergelijkbaar met halogenen.
Kenmerken van de elektronische structuur van het element
De eigenschappen van het waterstofatoom, de complexe stoffen waar het deel van uitmaakt, en de eenvoudigste stof H2 worden voornamelijk bepaald door de elektronenconfiguratie van de waterstof. Het deeltje heeft één elektron met Z=(-1), dat in zijn baan rond de kern draait en één proton bevat met eenheidsmassa en positieve lading (+1). Zijn elektronische configuratie wordt geschreven als 1s1, wat de aanwezigheid van één negatief deeltje in de allereerste en enige s-orbitaal voor waterstof betekent.
Wanneer een elektron wordt losgemaakt of weggegeven, en een atoom van dit element heeft zo'n eigenschap dat het verwant is aan metalen, wordt een kation verkregen. In feite is het waterstofion een positief elementair deeltje. Daarom wordt een waterstof zonder elektron gewoon een proton genoemd.
Fysieke eigenschappen
Als we de fysische eigenschappen van waterstof kort beschrijven, dan is het een kleurloos, slecht oplosbaar gas met een relatieve atoommassa gelijk aan 2, 14,5 keer lichter dan lucht, met een temperatuurvloeibaarmaking van -252,8 graden Celsius.
Je kunt uit ervaring gemakkelijk zien dat H2 het gemakkelijkst is. Om dit te doen, volstaat het om drie ballen te vullen met verschillende stoffen - waterstof, koolstofdioxide, gewone lucht - en ze tegelijkertijd uit je hand te halen. Degene die gevuld is met CO2 zal sneller de grond bereiken dan wie dan ook, daarna zal het opgeblazen luchtmengsel dalen, en degene die H2 bevat zal tot aan het plafond stijgen.
De kleine massa en grootte van waterstofdeeltjes rechtvaardigen het vermogen om door verschillende stoffen te dringen. Op het voorbeeld van dezelfde bal is dit gemakkelijk te verifiëren, binnen een paar dagen zal hij vanzelf leeglopen, omdat het gas gewoon door het rubber zal gaan. Ook kan waterstof zich ophopen in de structuur van sommige metalen (palladium of platina) en daaruit verdampen wanneer de temperatuur stijgt.
De lage oplosbaarheidseigenschap van waterstof wordt in de laboratoriumpraktijk gebruikt voor de isolatie ervan door de methode van waterverplaatsing. De fysieke eigenschappen van waterstof (de onderstaande tabel bevat de belangrijkste parameters) bepalen het toepassingsgebied en de productiemethoden.
| Parameter van een atoom of molecuul van een eenvoudige stof | Betekenis |
| Atoommassa (molaire massa) | 1.008 g/mol |
| Elektronische configuratie | 1s1 |
| Kristalrooster | Zeshoekig |
| Thermische geleidbaarheid | (300 K) 0,1815 W/(m·K) |
| Dichtheid bij n. y. | 0, 08987 g/l |
| Kookpunt | -252, 76 °C |
| Specifieke calorische waarde | 120, 9 106 J/kg |
| Smeltpunt | -259, 2 °C |
| Oplosbaarheid in water | 18, 8ml/L |
Isotopische samenstelling
Net als veel andere vertegenwoordigers van het periodiek systeem van chemische elementen, heeft waterstof verschillende natuurlijke isotopen, dat wil zeggen atomen met hetzelfde aantal protonen in de kern, maar een ander aantal neutronen - deeltjes zonder lading en eenheid massa. Voorbeelden van atomen met deze eigenschap zijn zuurstof, koolstof, chloor, broom en andere, waaronder radioactieve.
Fysieke eigenschappen van waterstof 1H, de meest voorkomende vertegenwoordiger van deze groep, verschilt aanzienlijk van dezelfde kenmerken van zijn tegenhangers. Met name de eigenschappen van de stoffen waarin ze zijn verwerkt, verschillen. Er is dus gewoon en gedeutereerd water, met in zijn samenstelling in plaats van een waterstofatoom met een enkel proton, deuterium 2H - zijn isotoop met twee elementaire deeltjes: positief en ongeladen. Deze isotoop is twee keer zo zwaar als gewone waterstof, wat het fundamentele verschil verklaart in de eigenschappen van de verbindingen waaruit ze bestaan. In de natuur is deuterium 3200 keer zeldzamer dan waterstof. De derde vertegenwoordiger is tritium 3Н, in de kern heeft het twee neutronen en één proton.
Methoden voor het verkrijgen en selecteren
Laboratorium en industriële methoden voor het produceren van waterstof zijn heel verschillend. Ja, in kleine hoeveelhedengas wordt voornamelijk geproduceerd door reacties met mineralen, terwijl grootschalige productie in grotere mate gebruik maakt van organische synthese.
De volgende chemische interacties worden gebruikt in het laboratorium:
- De reactie van alkali- en aardalkalimetalen met water om alkali en het gewenste gas te vormen.
- Elektrolyse van een waterige elektrolytoplossing, H2↑ komt vrij bij de anode en zuurstof bij de kathode.
- Ontleding van alkalimetaalhydriden met water, de producten zijn alkali en bijgevolg H-gas2↑.
- Reactie van verdunde zuren met metalen om zouten en H2↑. te vormen
- De werking van alkaliën op silicium, aluminium en zink bevordert ook de afgifte van waterstof, parallel aan de vorming van complexe zouten.
In industriële belangen wordt gas gewonnen met methoden als:
- Thermische ontleding van methaan in aanwezigheid van een katalysator tot zijn samenstellende eenvoudige stoffen (350 graden bereikt de waarde van een dergelijke indicator als temperatuur) - waterstof H2↑ en koolstof C.
- Dampwater door cokes van 1000 graden Celsius leiden om kooldioxide CO2 en H2↑ (de meest gebruikelijke methode) te vormen
- Omzetting van gasvormig methaan op een nikkelkatalysator bij temperaturen van 800 graden.
- Waterstof is een bijproduct van de elektrolyse van waterige oplossingen van kalium- of natriumchloride.
Chemischeinteracties: algemeenheden
De fysische eigenschappen van waterstof verklaren grotendeels zijn gedrag in reactieprocessen met een of andere verbinding. De valentie van waterstof is 1, omdat het zich in de eerste groep in het periodiek systeem bevindt, en de oxidatiegraad een andere laat zien. In alle verbindingen, behalve hydriden, waterstof in s.o.=(1+), in moleculen zoals ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Een waterstofgasmolecuul, gevormd door het creëren van een algemeen elektronenpaar, bestaat uit twee atomen en is energetisch vrij stabiel, daarom is het onder normale omstandigheden enigszins inert en gaat het reacties aan wanneer normale omstandigheden veranderen. Afhankelijk van de mate van oxidatie van waterstof in de samenstelling van andere stoffen, kan het zowel als oxidatiemiddel als als reductiemiddel werken.
Stoffen waarmee het reageert en waterstof vormt
Elementaire interacties om complexe stoffen te vormen (vaak bij verhoogde temperaturen):
- Alkaline- en aardalkalimetaal + waterstof=hydride.
- Halogeen + H2=waterstofhalogenide.
- Zwavel + waterstof=waterstofsulfide.
- Zuurstof + H2=water.
- Koolstof + waterstof=methaan.
- Stikstof + H2=ammoniak.
Interactie met complexe stoffen:
- Productie van synthesegas uit koolmonoxide en waterstof.
- Herwinning van metalen uit hun oxiden met behulp van H2.
- Waterstofverzadiging van onverzadigde alifatischekoolwaterstoffen.
Waterstofbinding
De fysieke eigenschappen van waterstof zijn zodanig dat ze het in combinatie met een elektronegatief element mogelijk maken om een speciaal type binding te vormen met hetzelfde atoom van naburige moleculen die ongedeelde elektronenparen hebben (bijvoorbeeld zuurstof, stikstof en fluor). Het duidelijkste voorbeeld waarop het beter is om zo'n fenomeen te beschouwen, is water. Er kan worden gezegd dat het is gestikt met waterstofbruggen, die zwakker zijn dan covalente of ionische, maar vanwege het feit dat er veel van zijn, hebben ze een significant effect op de eigenschappen van de stof. In wezen is waterstofbinding een elektrostatische interactie die watermoleculen bindt tot dimeren en polymeren, waardoor het hoge kookpunt ontstaat.
Waterstof in minerale verbindingen
De samenstelling van alle anorganische zuren omvat een proton - een kation van een atoom zoals waterstof. Een stof waarvan het zuurresidu een oxidatietoestand heeft groter dan (-1) wordt een polybasische verbinding genoemd. Het bevat verschillende waterstofatomen, waardoor dissociatie in waterige oplossingen meertraps is. Elk volgend proton breekt steeds moeilijker los van de rest van het zuur. Door het kwantitatieve geh alte aan waterstofatomen in het medium wordt de zuurgraad ervan bepaald.
Waterstof bevat ook hydroxylgroepen van basen. Daarin is waterstof verbonden met een zuurstofatoom, waardoor de oxidatietoestand van dit alkaliresidu altijd gelijk is aan (-1). Het geh alte aan hydroxylen in het medium bepa alt de basiciteit ervan.
Toepassing in menselijke activiteiten
Cilinders met een stof, maar ook containers met andere vloeibaar gemaakte gassen, zoals zuurstof, hebben een specifiek uiterlijk. Ze zijn donkergroen geverfd met een felrood opschrift "Hydrogen". Gas wordt onder een druk van ongeveer 150 atmosfeer in een cilinder gepompt. De fysische eigenschappen van waterstof, in het bijzonder de lichtheid van de gasvormige aggregatietoestand, worden gebruikt om het te vullen in een mengsel met heliumballonnen, ballonnen, enz.
Waterstof, waarvan mensen de fysische en chemische eigenschappen vele jaren geleden leerden gebruiken, wordt momenteel in veel industrieën gebruikt. Het meeste gaat naar de productie van ammoniak. Waterstof is ook betrokken bij de productie van metalen (hafnium, germanium, gallium, silicium, molybdeen, wolfraam, zirkonium en andere) uit oxiden, die in de reactie werken als een reductiemiddel, blauwzuur en zoutzuur, methylalcohol en kunstmatige vloeistof brandstof. De voedingsindustrie gebruikt het om plantaardige oliën om te zetten in vaste vetten.
Bepaald de chemische eigenschappen en het gebruik van waterstof in verschillende processen van hydrogenering en hydrogenering van vetten, kolen, koolwaterstoffen, oliën en stookolie. Met behulp hiervan worden edelstenen, gloeilampen geproduceerd, metalen producten gesmeed en gelast onder invloed van een zuurstof-waterstofvlam.
