Wasserstoff H ist ein chemisches Element, eines der häufigsten in unserem Universum. Die Masse von Wasserstoff als Element in der Zusammensetzung von Substanzen beträgt 75% des Gesamtgeh alts an Atomen eines anderen Typs. Es ist in der wichtigsten und lebenswichtigsten Verbindung auf dem Planeten enth alten - Wasser. Eine Besonderheit von Wasserstoff ist auch, dass es das erste Element im Periodensystem der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew ist.
Entdeckung und Erforschung
Die ersten Erwähnungen von Wasserstoff in den Schriften von Paracelsus stammen aus dem 16. Jahrhundert. Aber seine Isolierung aus dem Gasgemisch Luft und die Untersuchung der brennbaren Eigenschaften wurden bereits im 17. Jahrhundert von dem Wissenschaftler Lemery durchgeführt. Wasserstoff wurde von dem englischen Chemiker, Physiker und Naturforscher Henry Cavendish gründlich untersucht, der experimentell bewies, dass die Masse von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Gasen die kleinste ist. In den darauffolgenden Phasen der Entwicklung der Wissenschaft arbeiteten viele Wissenschaftler mit ihm zusammen, insbesondere Lavoisier, der ihn „Geburt des Wassers“nannte.
Merkmal entsprechend der Position im PSHE
Element, das sich öffnetPeriodensystem von D. I. Mendeleev, ist Wasserstoff. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Atoms weisen eine gewisse Dualität auf, da der Wasserstoff gleichzeitig der ersten Gruppe, der Hauptuntergruppe, zugeordnet wird, wenn er sich wie ein Metall verhält und bei einer chemischen Reaktion ein einzelnes Elektron abgibt, und der siebtens - bei vollständiger Füllung der Valenzschale, dh Empfang negatives Teilchen, das es als ähnlich wie Halogene charakterisiert.
Merkmale der elektronischen Struktur des Elements
Die Eigenschaften des Wasserstoffatoms, der komplexen Substanzen, zu denen es gehört, und der einfachsten Substanz H2 werden hauptsächlich durch die Elektronenkonfiguration des Wasserstoffs bestimmt. Das Teilchen hat ein Elektron mit Z=(-1), das auf seiner Umlaufbahn um den Kern rotiert und ein Proton mit Einheitsmasse und positiver Ladung (+1) enthält. Seine elektronische Konfiguration wird als 1s1 geschrieben, was das Vorhandensein eines negativen Teilchens im allerersten und einzigen s-Orbital für den Wasserstoff bedeutet.
Wenn ein Elektron abgelöst oder abgegeben wird und ein Atom dieses Elements eine solche Eigenschaft hat, dass es mit Metallen verwandt ist, entsteht ein Kation. Tatsächlich ist das Wasserstoffion ein positives Elementarteilchen. Daher wird ein Wasserstoff ohne Elektron einfach als Proton bezeichnet.
Physikalische Eigenschaften
Wenn wir kurz die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff beschreiben, dann ist es ein farbloses, schwerlösliches Gas mit einer relativen Atommasse von 2, 14,5-mal leichter als Luft, mit einer TemperaturVerflüssigung von -252,8 Grad Celsius.
Sie können aus Erfahrung leicht erkennen, dass H2 am einfachsten ist. Dazu reicht es aus, drei Kugeln mit verschiedenen Substanzen zu füllen - Wasserstoff, Kohlendioxid, gewöhnliche Luft - und sie gleichzeitig aus Ihrer Hand zu lösen. Der mit CO2 gefüllte erreicht den Boden schneller als alle anderen, danach sinkt das aufgeblasene Luftgemisch und der mit H2 wird bis zur Decke steigen.
Die geringe Masse und Größe von Wasserstoffpartikeln rechtfertigt seine Fähigkeit, verschiedene Substanzen zu durchdringen. Am Beispiel desselben Balls ist dies leicht zu überprüfen, in ein paar Tagen wird er sich selbst entleeren, da das Gas einfach durch den Gummi strömt. Außerdem kann sich Wasserstoff in der Struktur einiger Metalle (Palladium oder Platin) ansammeln und daraus verdampfen, wenn die Temperatur ansteigt.
Die Schwerlöslichkeit von Wasserstoff wird in der Laborpraxis zu seiner Isolierung nach der Methode der Wasserverdrängung genutzt. Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff (die nachstehende Tabelle enthält die wichtigsten Parameter) bestimmen den Anwendungsbereich und die Herstellungsverfahren.
| Parameter eines Atoms oder Moleküls einer einfachen Substanz | Bedeutung |
| Atommasse (Molmasse) | 1,008 g/mol |
| Elektronische Konfiguration | 1s1 |
| Kristallgitter | Hexagonal |
| Wärmeleitfähigkeit | (300 K) 0,1815 W/(m·K) |
| Dichte bei n. y. | 0, 08987 g/l |
| Siedepunkt | -252, 76 °C |
| Spezifischer Heizwert | 120, 9 106 J/kg |
| Schmelzpunkt | -259, 2 °C |
| Wasserlöslichkeit | 18, 8ml/L |
Isotopenzusammensetzung
Wie viele andere Vertreter des Periodensystems der chemischen Elemente hat Wasserstoff mehrere natürliche Isotope, also Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen im Kern, aber einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen - Teilchen mit Ladung und Einheit Null Masse. Beispiele für Atome mit dieser Eigenschaft sind Sauerstoff, Kohlenstoff, Chlor, Brom und andere, einschließlich radioaktiver.
Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff 1H, dem häufigsten Vertreter dieser Gruppe, unterscheiden sich deutlich von den gleichen Eigenschaften seiner Gegenstücke. Insbesondere unterscheiden sich die Eigenschaften der Stoffe, in denen sie enth alten sind. Es gibt also gewöhnliches und deuteriertes Wasser, das in seiner Zusammensetzung anstelle eines Wasserstoffatoms mit einem einzigen Proton Deuterium 2H enthält - sein Isotop mit zwei Elementarteilchen: positiv und ungeladen. Dieses Isotop ist doppelt so schwer wie gewöhnlicher Wasserstoff, was den grundlegenden Unterschied in den Eigenschaften der Verbindungen erklärt, aus denen sie bestehen. In der Natur ist Deuterium 3200-mal seltener als Wasserstoff. Der dritte Vertreter ist Tritium 3Н, es hat im Kern zwei Neutronen und ein Proton.
Erfassungs- und Auswahlverfahren
Labor- und Industriemethoden zur Herstellung von Wasserstoff sind sehr unterschiedlich. Ja, in kleinen MengenGas wird hauptsächlich durch Reaktionen mit Mineralien hergestellt, während die großtechnische Produktion in größerem Umfang auf organische Synthese zurückgreift.
Die folgenden chemischen Wechselwirkungen werden im Labor verwendet:
- Die Reaktion von Alkali- und Erdalkalimetallen mit Wasser zur Bildung von Alkali und dem gewünschten Gas.
- Elektrolyse einer wässrigen Elektrolytlösung, H2↑ wird an der Anode und Sauerstoff an der Kathode freigesetzt.
- Zersetzung von Alkalimetallhydriden mit Wasser, die Produkte sind Alkali und dementsprechend H-Gas2↑.
- Reaktion verdünnter Säuren mit Metallen zu Salzen und H2↑.
- Auch die Einwirkung von Alkalien auf Silizium, Aluminium und Zink fördert die Freisetzung von Wasserstoff parallel zur Bildung von Komplexsalzen.
Im industriellen Interesse wird Gas durch Methoden gewonnen wie:
- Thermische Zersetzung von Methan in Gegenwart eines Katalysators in seine einfachen Bestandteile (350 Grad erreichen den Wert eines solchen Indikators wie Temperatur) - Wasserstoff H2↑ und Kohlenstoff C.
- Führung von dampfförmigem Wasser durch Koks bei 1000 Grad Celsius zur Bildung von Kohlendioxid CO2 und H2↑ (die gebräuchlichste Methode).
- Umwandlung von gasförmigem Methan auf einem Nickelkatalysator bei Temperaturen bis zu 800 Grad.
- Wasserstoff ist ein Nebenprodukt der Elektrolyse wässriger Lösungen von Kalium- oder Natriumchlorid.
ChemikalieInteraktionen: Allgemeines
Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff erklären weitgehend sein Verh alten in Reaktionsprozessen mit der einen oder anderen Verbindung. Die Wertigkeit des Wasserstoffs ist 1, da er in der ersten Gruppe des Periodensystems steht und der Oxidationsgrad einen anderen aufweist. In allen Verbindungen außer Hydriden ist Wasserstoff in s.o.=(1+), in Molekülen wie ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Ein Wasserstoffgasmolekül, gebildet durch die Bildung eines verallgemeinerten Elektronenpaares, besteht aus zwei Atomen und ist energetisch ziemlich stabil, weshalb es unter normalen Bedingungen etwas träge ist und Reaktionen eingeht, wenn sich die normalen Bedingungen ändern. Je nach Oxidationsgrad von Wasserstoff in der Zusammensetzung anderer Stoffe kann es sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel wirken.
Stoffe, mit denen es reagiert und Wasserstoff bildet
Elementarwechselwirkungen zur Bildung komplexer Substanzen (oft bei erhöhten Temperaturen):
- Alkali- und Erdalkalimetall + Wasserstoff=Hydrid.
- Halogen + H2=Halogenwasserstoff.
- Schwefel + Wasserstoff=Schwefelwasserstoff.
- Sauerstoff + H2=Wasser.
- Kohlenstoff + Wasserstoff=Methan.
- Stickstoff + H2=Ammoniak.
Wechselwirkung mit komplexen Substanzen:
- Herstellung von Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
- Rückgewinnung von Metallen aus ihren Oxiden mit H2.
- Wasserstoffsättigung von ungesättigten AliphatenKohlenwasserstoffe.
Wasserstoffbrückenbindung
Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff erlauben es ihm, in Verbindung mit einem elektronegativen Element eine spezielle Art von Bindung mit demselben Atom von benachbarten Molekülen einzugehen, die ungeteilte Elektronenpaare haben (z. B. Sauerstoff, Stickstoff und Fluor). Das klarste Beispiel, an dem es besser ist, ein solches Phänomen zu betrachten, ist Wasser. Man kann sagen, dass es mit Wasserstoffbrücken verbunden ist, die schwächer als kovalente oder ionische sind, aber aufgrund der Tatsache, dass es viele davon gibt, haben sie einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften der Substanz. Im Wesentlichen ist die Wasserstoffbindung eine elektrostatische Wechselwirkung, die Wassermoleküle zu Dimeren und Polymeren bindet, was zu ihrem hohen Siedepunkt führt.
Wasserstoff in Mineralverbindungen
Die Zusammensetzung aller anorganischen Säuren enthält ein Proton - ein Kation eines Atoms wie Wasserstoff. Eine Substanz, deren Säurerest eine Oxidationsstufe größer als (-1) hat, wird als mehrbasige Verbindung bezeichnet. Es enthält mehrere Wasserstoffatome, was die Dissoziation in wässrigen Lösungen mehrstufig macht. Jedes nachfolgende Proton löst sich immer schwieriger von der restlichen Säure. Durch den quantitativen Geh alt an Wasserstoff im Medium wird dessen Säuregrad bestimmt.
Wasserstoff enthält auch Hydroxylgruppen von Basen. In ihnen ist Wasserstoff mit einem Sauerstoffatom verbunden, wodurch die Oxidationsstufe dieses Alkalirests immer gleich (-1) ist. Der Geh alt an Hydroxylgruppen im Medium bestimmt seine Basizität.
Anwendung bei menschlichen Aktivitäten
Flaschen mit einem Stoff sowie Behälter mit anderen verflüssigten Gasen, wie z. B. Sauerstoff, haben ein bestimmtes Aussehen. Sie sind dunkelgrün lackiert mit einem knallroten „Hydrogen“-Schriftzug. Gas wird unter einem Druck von etwa 150 Atmosphären in einen Zylinder gepumpt. Die physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs, insbesondere die Leichtigkeit des gasförmigen Aggregatzustands, werden genutzt, um ihn im Gemisch mit Helium in Luftballons, Luftballons etc. zu füllen.
Wasserstoff, dessen physikalische und chemische Eigenschaften die Menschen vor vielen Jahren zu nutzen gelernt haben, wird derzeit in vielen Industrien eingesetzt. Der größte Teil davon geht in die Produktion von Ammoniak. Wasserstoff ist auch an der Herstellung von Metallen (Hafnium, Germanium, Gallium, Silizium, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und andere) aus Oxiden beteiligt, die in der Reaktion als Reduktionsmittel, Blausäure und Salzsäure, Methylalkohol und künstliche Flüssigkeit wirken Kraftstoff. Die Lebensmittelindustrie verwendet es, um Pflanzenöle in feste Fette umzuwandeln.
Bestimmte die chemischen Eigenschaften und die Verwendung von Wasserstoff in verschiedenen Prozessen der Hydrierung und Hydrierung von Fetten, Kohlen, Kohlenwasserstoffen, Ölen und Heizöl. Mit ihrer Hilfe werden Edelsteine hergestellt, Glühlampen hergestellt, Metallprodukte unter dem Einfluss einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme geschmiedet und geschweißt.
