Vodorod – koinot elementi | Vodorodning xossalari

Vodorod - kimyosi, uning atomi va molekulalarining tuzilishi soddaligiga qaramay, nihoyatda xilma-xil va qiziqarli. Vodorod atomi faqat bitta elektronga ega bo'lgani uchun, elementning kimyoviy xossalari juda oddiy deb o'ylashingiz mumkin. Ammo aslida bunday emas. Vodorodning kimyoviy xossalari nihoyatda xilma-xil, uning yagona elektroniga qaramay, u bir vaqtning o'zida bir nechta atomlar bilan bog'lanish hosil qilishi mumkin.
Vodorod ( H , lat. Hydrogenium ) tartib nomeri 1 va kimyoviy belgisi H ega davriy sistemaning eng yengil elementidir . Uning bir atomik shakli - koinotdagi eng keng tarqalgan kimyoviy moddadir, bu butun massasining taxminan 75% ni tashkil qiladi . Zich yulduzlardan tashqari , boshqa barcha yulduzlar asosan vodorod plazmasidan iborat.
Vodorodning uchta izotopi bor ular quyidagilar: 1H - protiy , 2H - deyteriy va 3H - tritiy ( radioaktiv ). Eng keng tarqalgan izotop - protiydir, yadrosi faqat bitta protondan iborat va tarkibida neytronlar mavjud emas.
Normal sharoit va bosimda vodorod rangsiz, hidsiz va ta'msiz, kimyoviy formulasi H2 bo'lgan zaharli bo'lmagan ikki atomli gaz bo'lib , u havo yoki kislorod bilan aralashganda yonuvchan va o'ta alangalanuvchi yoki portlovchi moddadir. Vodorod ftor yoki xlor kabi boshqa oksidlovchi gazlar bilan ham portlovchi xossasiga ega. Vodorod ko'pgina metallar bilan kovalent bog'lanishlarni osonlikcha hosil qilganligi sababli , yerdagi vodorodning katta qismi suv yoki organik moddalar koʻrinishida mavjud. Vodorod kislota-asos reaktsiyalarida ayniqsa muhim rol o'ynaydi.
Vodorodning kashf etilishi tarixi
16 va 17-asrlar kimyo fan sifatida shakllantirish bo'sag'asida kislota va metall oʻzaro taʼsirlashish natijasida gaz ajralib chiqishini kuzatishgan. Birinchi marta Paracelsus 16-asrda temir parchalarini sulfat kislotasiga botirib, vodorodni oldi . 1671 yilda Robert Boyl vodorod gazini ajralib chiqishi, yani temir parchalari va suyultirilgan kislotalar orasidagi reaktsiyani batafsil bayon qildi.
1766 yilda Genri Kavendish birinchi bo'lib vodorod gazini individual element deb tan oldi va metall kislota bilan reaksiyaga kirishganda ajralib chiqadigan gazni "yonuvchi havo" deb atadi. U "yonuvchan havo" " flogiston " deb nomlangan faraziy moddalar bilan bir xil deb taxmin qildi va 1781 yilda u yonib ketganda suv paydo bo'lishini aniqladi. Frantsuz kimyogari Antuan Lavuazye muhandis Jan Mönye bilan birgalikda maxsus gaz hisoblagichlari yordamida 1783 yilda suvni sintez qilib, so'ngra suv bug'ini issiq temir bilan parchalab, uni tahlil qildi. Shunday qilib, u "yonuvchan havo" suvning bir qismi ekanligini va undan olish mumkinligini aniqladi.
Vodorod nomining kelib chiqishi
Lavuazye vodorodga "hydrogène" nomi berdi (qadimgi yunon ὕδωρ - suv va γεννάω - tug'ish) - "suv tug'diruvchi". 1801 yilda Lavouazyening izdoshi, akademik Vasiliy Severgin , "Suv-hosil qiluvchi modda" deb atadi, va quydagicha yozgan:
"Suv hosil qiluvchi modda kislorod bilan birikib suv hosil qiladi. Buni parchalash yoki hosil qilish yo'li bilan isbotlash mumkin*
Ruscha "vodorod" nomi kimyogar Mixail Solovyov tomonidan 1824 yilda - Lomonosovning " kislorodi " ga o'xshashlik bilan taklif qilingan. O'zbek tiliga rus tilidan to'g'ridan to'g'ri kirib kelgan.
| Vodorod |
|---|
| ← Kislorod | Natriy → |
| Oddiy moddaning ko'rinishi Rangsiz, hidsiz va tamsiz gaz ![]() |
| Atom xossalari |
| Nomi, belgi, raqami ——————-→ Vodorod, (H), 1 |
| Atom massasi ——————-→ [ 1.008; 1.00811]m.a.b ( g / mol ) |
| Elektron konfiguratsiyasi ——————-→ 1s 1 |
| Atom radiusi ——————-→ 53 pm |
| Kimyoviy xossalari |
| Kovalent radius ——————-→ 32 pm |
| Ion radiusi ——————-→ 54 (-1 e) pm |
| Elektrmanfiyligi ——————-→ 2.20 (Poling shkalasi) |
| Oksidlanish darajasi ——————-→ +1, 0, -1 |
| Ionlanish energiyasi ——————-→ 1311.3 (13.595) kJ / mol ( eV ) |
| Oddiy moddaning termodinamik xususiyatlari |
| Zichlik ( n.sh. da ) ——————-→ 0.0000899 (273 K (0 ° C) da) g / sm3 |
| Erish harorati ——————-→ 14,01 K ; -259,14 ° S |
| Qaynatish harorati ——————-→ 20,28 K ; -252,87 ° S |
| Uch nuqtasi ——————-→ 13,96 K (-259,19 ° C ), 7,205 kPa |
| Kiritik nuqtasi ——————-→ 32,24 К, 1,30 МПа |
| Solishtirma erish issiqligi ——————-→ 0,117 kJ / mol |
| Solishtirma buglanish issiqligi ——————-→ 0,904 kJ / mol |
| Molyar issiqlikgi ——————-→ 28.47 J / (K · mol) |
| Molyar hajmi ——————-→ 14,1 sm ³ / mol |
| Oddiy moddaning kristall panjarasi |
| Panjara tuzilishi ——————-→ olti burchakli |
| Panjara parametrlari ——————-→ a = 3.780 c = 6.167 Å |
| C / a nisbati ——————-→ 1,631 |
| Debye harorati ——————-→ 110 K |
| Boshqa xususiyatlar |
| Issiqlik o'tkazuvchanligi ——————-→ (300 K) 0,1815 Vt / (m · K) |
| CAS raqami ——————-→ 12385-13-6 |
| Emissiya spektri |
Tarqalishi
Koinotda
Vodorod koinotda eng koʻp tarqalgan element hisoblanadi. U barcha atomlarning taxminan 88,6% ni tashkil etadi (taxminan 11,3% geliy atomlari, qolgan barcha elementlarning ulushi taxminan 0,1% ni tashkil qiladi). Shunday qilib, vodorod yulduzlar va yulduzlararo gazlarning asosiy tarkibiy qismi hisoblanadi. Yulduzlarda oddatda (masalan, Quyoshning sirt harorati ~ 6000 ° C), vodorod plazma shaklida mavjud , yulduzlararo kosmosda bu element alohida molekulalar , atomlar va ionlar shaklida mavjud va hajmi, zichligi va harorati bo'yicha sezilarli darajada farq qiladigan molekulyar bulutlar hosil bo'lishi mumkin.
Yer qobig'i va tirik organizmlarda
Yer qobig'idagi vodorodning massa ulushi 1% ni tashkil etadi - bu yerda eng keng tarqalgan elementlarning o'ninchi o'rnini egallaydi . Biroq, uning tabiatdagi roli massa bilan emas, balki boshqa elementlar orasidagi ulushi 17% ( atomlarning ulushi ~ 52% bo'lgan kisloroddan keyin ikkinchi o'rin) bo'lgan atomlar soni bilan belgilanadi. Shuning uchun yerda sodir bo'ladigan kimyoviy jarayonlarda vodorodning ahamiyati kislorod kabi katta.
Yerdagi bog'langan va erkin holatlarda mavjud bo'lgan kisloroddan farqli o'laroq, yerdagi barcha vodorod birikmalar shaklida bo'ladi; oddiy moddalar ko'rinishidagi juda oz miqdordagi vodorod atmosferada mavjud (quruq havo tarkibida 0,00005% hajmda)
Vodorod deyarli barcha organik moddalarning bir qismidir va barcha tirik hujayralarda mavjud bo'lib, bu erda vodorod atomlar sonining deyarli 63% foizini tashkil qiladi.
Olinishi
Sanoat sohasida
2019-yilda dunyoda 75 million tonna vodorod iste'mol qilindi, asosan neftni qayta ishlash va ammiak ishlab chiqarishda . Ularning 3/ 4 koʻproq qismi tabiiy gazdan olinadi. Buning uchun 205 mld m³ gaz sarflanadi. Deyarli qolgani ulishi hammasi koʻmirdan olinadi. Faqat 0.1% gina elektroliz yoʻli bilan olinadi. Vodorod ishlab chiqarilganda atmosferaga ~ 830 million tonna CO2 ajralib chiqadi . Tabiiy gazdan ishlab chiqariladigan vodorod narxi 1 kg uchun 1,5-3 dollarga baholanmoqda.
- Metanni suv bug ' bilan 1000 ° C da Konversalash:
- 1000 ° C haroratda qizigan koks orqali suv bug'ining o'tkazish :
- Suvli tuz eritmalarining eleltrolizi :
- Faol metall gidroksidlarning suvli eritmalari elektrolizi (asosan kaliy gidroksidi)
Bundan tashqari, biron bir qo'shimchani ishlatmasdan kimyoviy toza suvni elektroliz qilishning sanoat texnologiyasi mavjud. Aslida, qurilma qattiq polimer membranali yoki membranasiz qaytariladigan yonilg'i elementi.
- Kislorod bilan katalitik oksidlanish:
- Neftni qayta ishlash jarayonida uglevodorodlarni kreking va riforming qilish.
Laboratoriyada
- Suyultirilgan kislotalarning metallarga ta'siri . Bunday reaktsiyani amalga oshirish uchun ko'pincha rux va suyultirilgan sulfat kislota ishlatiladi :
- Kaltsiyning suv bilan o'zaro ta'siri :
- Gidridlarni gidrolizi :
- Ishqorlarning rux yoki alyuminiyga ta'siri :
- Elektroliz yordamida. Katodda gidroksidi yoki kislotalarning suvli eritmalarini elektrolizlashda vodorod chiqariladi, masalan:
Tozalash
Sanoatda vodorodni uglerod tutgan homashyolardan tozalashning bir qancha usullari bor.( Vodorod tutgan gaz- VTG)
- Past haroratli kondensatsiya : VTG metan va etanning kondensatsiya haroratiga qadar sovutiladi , undan keyin vodorod rektifikatsiya bilan ajratiladi . Jarayon -158 ° C haroratda va 4 MPa bosimda amalga oshiriladi . Tozalangan vodorodning tozaligi 93-94% ni tashkil qiladi.
- Vodorodning membranalarda kontsentratsiyasi : Eng yaxshi namunalar bo'yicha usul 95-96% soflik bilan vodorod olishga imkon beradi, ammo bunday qurilmalarning unumdorligi past.
Narxi
Ulgurji etkazib berish uchun vodorod narxi 2-7 USD / kg oralig'ida o'zgarib turadi.
Kichik miqdori yashil yoki qoramtil-yashil rangli po'lat silindrlarda tashiladi.
Fizik xossalari
Vodorod eng engil gaz : u havodan 14,5 marta engilroq. Shuning uchun, masalan, vodorod bilan to'ldirilgan sovun pufakchalari havoda yuqoriga qarab harakat qiladi. Molekulalarning massasi qancha kichik bo'lsa, ularning tezligi shuncha tez bo'ladi bir xil haroratda. Vodorod molekulalari eng yengilligi sababli boshqa gazlarning molekulalariga qaraganda tezroq harakatlanadi, shu tufayli ular issiqlikni bir tanadan ikkinchisiga tezroq o'tkaza oladi. Demak, vodorod gazsimon moddalar orasida eng yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega . Uning issiqlik o'tkazuvchanligi havoning issiqlik o'tkazuvchanligidan taxminan 7 baravar yuqori.

Vodorod ikki atomdan iborat H2. Vodorod narmal sharoitda rangsiz, hidsiz, tamsiz gaz. Zichligi 0,08987 g / l ( n .sh ), qaynash harorati -252,76 ° C, solishtirma yonish issiqligi 120,9⋅10 6 J / kg , suvda ozgina eriydi - 18,8 ml / l .
Vodorod ko'plab metallarda ( Ni , Pt , Pd va boshqalar) osonlikcha eriydi , ayniqsa palladiyda ( 1 hajm Pd ga 850 hajm H2 ). Suyuq vodorod -252,76 dan -259,2 ° C gacha bo'lgan juda tor harorat oralig'ida mavjud. Bu rangsiz suyuqlik, juda engil ( zichligi -253 ° C 0,0708 g / sm³ ) va suyuqlik ( yopishqoqligi -253 ° C 13,8 cP ). Vodorodning muhim parametrlari: harorat -240,2 ° C, bosim 12,8 atm , kritik zichlik 0,0312 g / sm³ va kritik hajm 66,95-68,9 sm³ / mol ( 0,033 m³ / kg ). Kritik parametrlarning ko'rsatilgan qiymatlari vodorodni suyultirishdagi qiyinchiliklarni tushuntiradi.
Qattiq vodorod , erish nuqtasi -259,2 ° C, zichligi 0,0807 g / sm³ (-262 ° C da) - qorga o'xshash massa, olti burchakli tizim kristalli , P6 / mmc guruhiga kiradi , panjara parametrlari a = 0,378 nm va c = 0, 6167 nm ga teng.
Suyuq holatdagi vodorod 99,79% para-H2 va 0,21% esa orto-H2 ni tashkil etadi.
Izotoplari
Eng mashhur uch izotoplari vodorod: protiy 1H (atom yadrosida faqat proton bo'ladi), deyteriy 2H (markazda bir proton va bitta neytrondan iborat ) va tritiy 3H (markazda bitta proton va ikktai neytrondan iborat). Ushbu izotoplar o'zlarining kimyoviy belgilariga ega: protiy - H, deytiy - D, tritiy - T.
Protiy va deyteriy barqaror. Ushbu izotoplarning tabiiy vodoroddagi tarkibi mos ravishda 99,9885 ± 0,0070% va 0,0115 ± 0,0070% ni tashkil qiladi . Vodorodni ishlab chiqarish manbai va usuliga qarab bir oz farq qilishi mumkin. Tritiy beqaror, 12,32 yillik davrda beta-parchalanishga uchraydi va barqaror geliy-3 ga aylanadi.

Tritiy tabiatda oz miqdorda uchraydi, asosan kosmik nurlarning barqaror yadrolar bilan o'zaro ta'siri, deyteriy bilan termal neytronlarni ushlash paytida va litiy-6 tabiiy izotopining kosmik nurlar hosil qilgan neytronlar bilan o'zaro ta'siri paytida hosil bo'ladi.
Vodorodning sunʼiy yoʻl bilan olingan radiaktiv o'g'ir izotopining massasi 4-7 ga teng, yarim yemirilish davri 10−21—10−23 c
Tabiiy vodorod molekulasi H2 va HD dan 3200:1 nisbatan tashkil topgan. Undagi sof deyteriy D2 dan molekulalarning tarkibi undan ham kam, HD va D2 kontsentratsiyalarining nisbati taxminan 6400: 1 ni tashkil qiladi. Kimyoviy elementlarning barcha izotoplari orasida vodorod izotoplarining fizik xususiyatlari bir-biridan katta farq qiladi. Bu atom massalarining katta nisbiy o'zgarishi bilan bog'liqdir
Kimyoviy xossalari
Vodorod molekulalari etarlicha kuchli va vodorod reaksiyaga kirishishi uchun ko'p energiya sarflanishi kerak:
Shuning uchun oddiy haroratda vodorod faqat juda faol metallar bilan reaksiyaga kirishadi, masalan, kaltsiy bilan , kaltsiy gidrid hosil qiladi :
va yagona metallmas - ftor bilan , vodorod ftorid hosil qiladi :
Ko'pgina metallar va metallmas bilan vodorod yuqori haroratda yoki boshqa ta'sirlarda, masalan, yorug'lik ostida reaksiyaga kirishadi:
Bu reaksiyada vodorodning kamaytiruvchi xususiyatlarini aks ettiradi .
Galogenlar galogenidlarni hosil qilganligi sababli :
, reaktsiya qorong'uda va har qanday haroratda portlash bilan davom etadi
, faqat yorug'likda. reaktsiya portlash bilan davom etadi,
Kuchli qizdirganda yonish bilan reaksiya ketadi:
Ishqoriy va ishqoriy er metallari bilan o'zaro ta'siri
Faol metallar bilan ta'sirlashib vodorod gidridlarni hosil qilad:
Gidridlar tuzga o'xshash va qattiq moddalar bo'lib, oson gidrolizlanadi:
Metall oksidlari bilan o'zaro ta'sir
Metall oksidlarni (odatda d-elementlar ) metallgacha qaytaradi:
Ehtiyot choralari
Havo bilan aralashtirilganda vodorod portlovchi aralashmani hosil qiladi - portlovchi gaz deb ataladi . Vodorod va kislorodning nisbati 2: 1 yoki vodorod va havo taxminan 2: 5 bo'lganida, bu gaz eng katta portlash qobiliyatiga ega , chunki havoda taxminan 21% kislorod mavjud . Vodorod ham yonish xavfi bor. Suyuq vodorod teriga qattiq taʼsir qilishi mumkin.
Vodorodning kislorod bilan portlovchi kontsentratsiyasi hajmi 4% dan 96% gachada paydo bo'ladi deb hisoblanadi yoki 4% dan 75 (74)% gacha havo bilan aralashtirilganda. Bunday raqamlar hozirda ko'p ma'lumotnomalarda mavjud va ular taxminlar uchun ishlatilishi mumkin. Ammo, shuni yodda tutish kerakki, keyingi tadqiqotlar (80-yillarning oxirlarida) katta hajmdagi va past konsentratsiyalarda vodorod portlovchi bo'lishi mumkin. Ovoz qanchalik katta bo'lsa, vodorod kontsentratsiyasi shunchalik kam bo'ladi. Bu degani hajmi qancha katta bo'lib konsentrasiya shuncha kam bo'lsa portlash xavfi shuncha yuqori degani. Ushbu keng tarqalgan xatoning manbai shundaki, portlash xavfi laboratoriyalarda kichik hajmlarda o'rganilgan. Chunki vodorod kislorod bilan reaksiyasi - zanjir reaksiyasiga kiradi. Laboratoriyada olib borilganda esa bu reaksiya tez to'xtaydi. Katta hajmli binolarda portlash xafi katta boʻladi.
Ishlatilishi
Bugungi kunda vodorod ko'plab sohalarda qo'llaniladi. Dunyoda vodorod iste'molining tuzilishi quyidagi jadvalda keltirilgan.
| Qo'llanish sohasi | Miqdori |
|---|---|
| Ammiak ishlab chiqarish | 54% |
| Neftni qayta ishlash va kimyo sanoati | 35% |
| Elektronika ishlab chiqarish | 6% |
| Metallurgiya va shisha sanoati | 3% |
| Oziq-ovqat sanoati | 2% |
Kimyo sanoati
Kimyo sanoati vodorodning eng yirik iste'molchisi hisoblanadi. Dunyoda vodorod ishlab chiqarishning taxminan 50% ammiak ishlab chiqarishga to'g'ri keladi . Yana 8% metanol ishlab chiqarish uchun ishlatiladi . Ammiak plastmassa, o'g'itlar, portlovchi moddalar va boshqalarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Metanol ba'zi plastmassalarni ishlab chiqarish uchun asosdir.
Neftni qayta ishlash sanoati
Vodorod neftni qayta ishlash gidrokrekking va gidrotreating jarayonlarida ishlatiladi. Bu esa neft mahsulotining unumini oshiradi va chiqindini hosil boʻlishini kamaytiradi Ushbu maqsadlar uchun dunyoda ishlab chiqarilgan barcha vodorodning taxminan 37% ishlatiladi.
Oziq-ovqat va kosmetika sanoati
Qattiq yog'i ishlab chiqarishda ( o'simlik moylaridan ishlab chiqarilgan qattiq yog 'lar ). Qattiq yog' margarin , kosmetika, sovun ishlab chiqarish uchun asosdir . Vodorod oziq-ovqat qo'shimchasi sifatida E949 raqami ostida ro'yxatga olingan .
Transport
Vadorod yonilgi sifatida ham ishlatiladi,( Toyota Mirai , Hyundai Nexo ). Amerikaning Nikola kompaniyasi vodorodda ishlaydigan tijorat Nikolo Badger taqdim etdi. Bu avtomobil bitta zaprafka bilan 960 km masofani bosib oʻtadi.
Alstom kompaniyasi 2018 yilda Germaniyada birinchi vodorodli, 1000 km masofani bosib o'tadigan Coradia iLint tijorat yoqilg'isi poezdini ishga tushirdi.
Laboratoriya
Vodorod kimyoviy laboratoriyalarda gaz xromatografiyasida tashuvchi gaz sifatida ishlatiladi . Oziq-ovqat, parfyumeriya, metallurgiya va kimyo sanoatining ko'plab korxonalarida bunday laboratoriyalar mavjud. Vodorodning alangalanuvchanligiga qaramay, uni ushbu rolda ishlatish ancha xavfsiz hisoblanadi, chunki vodorod oz miqdorda ishlatiladi. Vodorodning tashuvchi gaz sifatidagi samaradorligi geliynikiga qaraganda ancha past narxga ega.
Aviatsiya sanoati
Hozirgi vaqtda vodorod aviatsiyada ishlatilmaydi. Ilgari havo kemalari va havo sharlari vodorod bilan to'ldirilgan. Ammo 30-yillarda. XX asr bir nechta falokatlar bo'lgan , ularning dirijabllar portlagan yoki yonib ketgan. Hozirgi vaqtda a51 dirijabllar ancha yuqori narxiga qaramay, geliy bilan to'ldiriladi.
Meteorologiya
Vodorod meteorologiyada ob-havo sharlarning chig'anoqlarini to'ldirish uchun ishlatiladi. Bunda vodorod geliydan ustunroq, chunki u arzonroq. Aniqrog'i, vodorod to'g'ridan-to'g'ri ob-havo stantsiyasida oddiy kimyoviy generator yordamida yoki suvning elektrolizidan hosil bo'ladi. Boshqa tomondan, geliyni meteorologik stantsiyaga ballonlarda etkazib berish kerak, bu esa uzoq joylarga qiyin bo'lishi mumkin.
Yoqilg'i
Vodorod raketa yoqilg'isi sifatida ishlatiladi . Vodorod suyuq bo'lib qoladigan o'ta tor harorat oralig'ida (7 Kelvindan kam), amalda ko'pincha suyuq va qattiq fazalar aralashmasi ishlatiladi .
Vodorod-kislorodli yonilg'i elementlari kimyoviy reaktsiyadan energiyani elektr energiyasiga to'g'ridan-to'g'ri aylantirish uchun vodoroddan foydalanadi.
Energetika
Vodorod energetika sohasida generatorlarni sovutish vositasida sifatida ishlatiladi.
Boshqalar
Atom holidagi vodorod atomik-vodorod payvandlashda ishlatiladi . Vodorodning yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi sababli gyrokompaslarning sharlarini va LED filament shisha lampalarini to'ldirish uchun ishlatiladi.
