vodonik - specijalni element, koji zauzimaju dvije ćelije odjednom u periodičnom sistemu Mendeljejeva. Nalazi se u dvije grupe elemenata sa suprotnim svojstvima, a ova karakteristika ga čini jedinstvenim. Vodonik je jednostavna supstanca i sastavni dio mnogi složene veze, to je organogeni i biogeni element. Vrijedi se detaljno upoznati s njegovim glavnim karakteristikama i svojstvima.

Vodonik u Mendeljejevom periodičnom sistemu

Glavne karakteristike vodonika navedene u:

• serijski broj elementa je 1 (postoji isti broj protona i elektrona);
• atomska masa je 1,00795;
• vodonik ima tri izotopa, od kojih svaki ima posebna svojstva;
• zbog sadržaja samo jednog elektrona, vodonik je u stanju da ispoljava redukciona i oksidaciona svojstva, a nakon donacije elektrona, vodik ima slobodnu orbitalu, koja učestvuje u sastavu hemijske veze prema mehanizmu donor-akceptor;
• vodonik je lagani element male gustine;
• vodonik je jako redukciono sredstvo, otvara grupu alkalnih metala u prvoj grupi glavne podgrupe;
• kada vodik reaguje s metalima i drugim jakim redukcijskim agensima, on prihvata njihov elektron i postaje oksidacijski agens. Takva jedinjenja nazivaju se hidridi. By naznačeni znak vodonik uslovno spada u grupu halogena (u tabeli je dat iznad fluora u zagradi), sa kojima ima sličnosti.

Vodonik kao jednostavna supstanca

Vodonik je gas čija se molekula sastoji od dva. Ovu supstancu je 1766. godine otkrio britanski naučnik Henry Cavendish. Dokazao je da je vodonik plin koji eksplodira u interakciji s kisikom. Nakon proučavanja vodonika, hemičari su otkrili da je ova supstanca najlakša od svih poznatih čovjeku.

Drugi naučnik, Lavoisier, dao je elementu naziv "hidrogenijum", što na latinskom znači "rađanje vode". Henry Cavendish je 1781. godine dokazao da je voda kombinacija kisika i vodonika. Drugim riječima, voda je proizvod reakcije vodonika s kisikom. Zapaljiva svojstva vodonika bila su poznata čak i drevnim naučnicima: odgovarajuće zapise ostavio je Paracelzus, koji je živeo u 16. veku.

Molekularni vodonik je prirodno plinovito jedinjenje uobičajeno u prirodi, koje se sastoji od dva atoma i kada se pojavi gorući komadić. Molekula vodika može se raspasti na atome koji se pretvaraju u jezgre helija, budući da su u stanju sudjelovati u nuklearnim reakcijama. Takvi se procesi redovno dešavaju u svemiru i na Suncu.

Vodik i njegova fizička svojstva

Vodik ima sljedeće fizičke parametre:

• ključa na -252,76 °C;
• topi se na -259,14 °C; *unutar navedenih temperaturnih granica vodonik je bezbojna tečnost bez mirisa;
• vodonik je slabo rastvorljiv u vodi;
• vodonik se teoretski može transformisati u metalno stanje pod posebnim uslovima (niske temperature i visoki pritisak);
• čisti vodonik je eksplozivna i zapaljiva supstanca;
• vodonik može difundirati kroz debljinu metala, stoga se dobro otapa u njima;
• vodonik je 14,5 puta lakši od vazduha;
• pod visokim pritiskom mogu se dobiti kristali čvrstog vodonika nalik snijegu.

Hemijska svojstva vodonika

Laboratorijske metode:

• interakcija razrijeđenih kiselina s aktivnim metalima i metalima srednje aktivnosti;
• hidroliza metalnih hidrida;
• reakcija sa vodom alkalnih i zemnoalkalnih metala.

Jedinjenja vodonika:

Halogenidi vodika; hlapljiva vodikova jedinjenja nemetala; hidridi; hidroksidi; vodonik hidroksid (voda); vodikov peroksid; organska jedinjenja (proteini, masti, ugljeni hidrati, vitamini, lipidi, esencijalna ulja, hormoni). Kliknite da vidite sigurne eksperimente o proučavanju svojstava proteina, masti i ugljikohidrata.

Da biste prikupili rezultirajući vodonik, morate držati epruvetu okrenutu naopako. Vodik se ne može sakupljati kao ugljični dioksid, jer je mnogo lakši od zraka. Vodonik brzo isparava, a kada se pomiješa sa zrakom (ili u velikoj akumulaciji) eksplodira. Stoga je potrebno invertirati cijev. Odmah nakon punjenja epruveta se zatvara gumenim čepom.

Da biste provjerili čistoću vodonika, potrebno je prinijeti upaljenu šibicu na vrat epruvete. Ako dođe do gluhog i tihog pucanja, plin je čist, a nečistoće zraka minimalne. Ako je pucanje glasno i zviždanje, plin u epruveti je prljav, sadrži veliki udio stranih komponenti.

Pažnja! Ne pokušavajte sami ponoviti ove eksperimente!

Kiseonik je najzastupljeniji element na Zemlji. Zajedno sa dušikom i malom količinom drugih plinova, slobodni kisik formira Zemljinu atmosferu. Njegov sadržaj u vazduhu iznosi 20,95% zapremine ili 23,15% mase. U zemljinoj kori, 58% atoma su atomi vezanog kiseonika (47% po masi). Kiseonik je deo vode (zalihe vezanog kiseonika u hidrosferi su izuzetno velike), stijene, mnogi minerali i soli, nalaze se u mastima, proteinima i ugljikohidratima koji čine žive organizme. Gotovo sav slobodni kisik na Zemlji nastaje i pohranjuje se kao rezultat procesa fotosinteze.

fizička svojstva.

Kiseonički gas bezbojan, bez ukusa i mirisa, malo teži od vazduha. Slabo je rastvorljiv u vodi (31 ml kiseonika se rastvara u 1 litru vode na 20 stepeni), ali je ipak bolji od ostalih atmosferskih gasova, pa je voda obogaćena kiseonikom. Gustina kiseonika pri normalnim uslovima 1,429 g/l. Na temperaturi od -183 0 C i pritisku od 101,325 kPa, kiseonik prelazi u tečno stanje. Tečni kiseonik ima plavičasta boja, se uvlači u magnetno polje i na -218,7°C formira plave kristale.

Prirodni kiseonik ima tri izotopa O 16, O 17, O 18.

alotropija- sposobnost elementa da postoji kao dva ili više jednostavne supstance, koji se razlikuju samo po broju atoma u molekuli ili strukturi.

Ozon O 3 - postoji u gornjoj atmosferi na visini od 20-25 km od površine Zemlje i formira tzv. ozonski sloj“, koji štiti Zemlju od razaranja ultraljubičasto zračenje sunce; blijedo ljubičasta, otrovna velike količine gas specifičnog, oštrog, ali prijatnog mirisa. Tačka topljenja je -192,7 0 C, tačka ključanja je -111,9 0 C. Otopimo se u vodi bolje od kiseonika.

Ozon je jak oksidant. Njegova oksidacijska aktivnost temelji se na sposobnosti molekule da se razgradi oslobađanjem atomskog kisika:

Oksidira mnoge jednostavne i složene tvari. S nekim metalima stvara ozonide, na primjer, kalijev ozonid:

K + O 3 \u003d KO 3

Ozon se dobija u posebnim uređajima - ozonizatorima. U njima se pod djelovanjem električnog pražnjenja molekularni kisik pretvara u ozon:

Slična reakcija se javlja i pod dejstvom pražnjenja groma.

Primjena ozona je zbog njegovih jakih oksidacijskih svojstava: koristi se za izbjeljivanje tkanina, dezinfekciju vode za piće, te u medicini kao dezinficijens.

Udisanje ozona u velikim količinama je štetno: iritira sluzokožu očiju i dišnih organa.

Hemijska svojstva.

U kemijskim reakcijama s atomima drugih elemenata (osim fluora), kisik pokazuje isključivo oksidirajuća svojstva.

Najvažnije hemijsko svojstvo je sposobnost stvaranja oksida sa gotovo svim elementima. Istovremeno, kisik direktno reagira s većinom tvari, posebno kada se zagrije.

Kao rezultat ovih reakcija, u pravilu nastaju oksidi, rjeđe peroksidi:

2Ca + O 2 \u003d 2CaO

2Va + O 2 = 2VaO

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2

Kiseonik nema direktnu interakciju sa halogenima, zlatom, platinom, njihovi oksidi se dobijaju indirektno. Kada se zagreju, sumpor, ugljenik, fosfor sagorevaju u kiseoniku.

Interakcija kisika s dušikom počinje tek na temperaturi od 1200 0 C ili u električnom pražnjenju:

N 2 + O 2 \u003d 2NO

Kiseonik se kombinuje sa vodonikom i formira vodu:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

Tokom ove reakcije oslobađa se značajna količina toplote.

Smjesa dvije zapremine vodonika i jednog kisika eksplodira kada se zapali; naziva se eksplozivnim gasom.

Mnogi metali u kontaktu sa atmosferskim kiseonikom podležu uništavanju - koroziji. Neki metali unutra normalnim uslovima oksidiraju samo s površine (na primjer, aluminijum, krom). Nastali oksidni film sprečava dalju interakciju.

4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3

Složene supstance pod određenim uslovima takođe stupaju u interakciju sa kiseonikom. U tom slučaju nastaju oksidi, au nekim slučajevima oksidi i jednostavne tvari.

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O

H 2 S + O 2 \u003d 2SO 2 + 2H 2 O

4NH 3 + ZO 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O

4CH 3 NH 2 + 9O 2 = 4CO 2 + 2N 2 + 10H 2 O

U interakciji sa složenim tvarima kisik djeluje kao oksidant. Njegovo važno svojstvo zasniva se na oksidativnoj aktivnosti kiseonika – sposobnosti održavanja sagorijevanje supstance.

Kiseonik takođe formira jedinjenje sa vodonikom - vodikov peroksid H 2 O 2 - bezbojna prozirna tečnost gorkog adstringentnog ukusa, veoma rastvorljiva u vodi. Hemijski, vodikov peroksid je vrlo zanimljivo jedinjenje. Karakteristična je njegova niska stabilnost: kada stoji, polako se razlaže na vodu i kiseonik:

H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2

Svetlost, toplota, prisustvo alkalija, kontakt sa oksidacionim ili redukcionim agensima ubrzavaju proces razgradnje. Stepen oksidacije kiseonika u vodikovom peroksidu = - 1, tj. ima srednju vrijednost između oksidacijskog stanja kisika u vodi (-2) i molekularnog kisika (0), tako da vodikov peroksid pokazuje redoks dualnost. Oksidirajuća svojstva vodikovog peroksida su mnogo izraženija od redukcijskih, a javljaju se u kiselim, alkalnim i neutralnim medijima.

H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 \u003d K 2 SO 4 + I 2 + 2H 2 O

Karakterizacija s-elemenata

Blok s-elemenata uključuje 13 elemenata kojima je zajedničko izgrađivanje u njihovim atomima s-podnivoa vanjskog energetskog nivoa.

Iako su vodonik i helijum klasifikovani kao s-elementi zbog specifične prirode njihovih svojstava, treba ih razmatrati odvojeno. Vodonik, natrijum, kalijum, magnezijum, kalcijum su vitalni elementi.

Jedinjenja s-elemenata pokazuju zajedničke obrasce svojstava, što se objašnjava sličnošću elektronske strukture njihovih atoma. Svi spoljašnji elektroni su valentni i učestvuju u formiranju hemijskih veza. Stoga je maksimalno oksidacijsko stanje ovih elemenata u spojevima broj elektrona u vanjskom sloju i, shodno tome, jednak je broju grupe u kojoj se ovaj element nalazi. Oksidacijsko stanje metala s-elemenata je uvijek pozitivno. Još jedna karakteristika je da nakon odvajanja elektrona vanjskog sloja ostaje jon s ljuskom plemenitog plina. Sa povećanjem serijskog broja elementa, atomskog radijusa, energija ionizacije opada (sa 5,39 eV y Li na 3,83 eV y Fr), a smanjuje se aktivnost elemenata.

Velika većina jedinjenja s-elemenata je bezbojna (za razliku od spojeva d-elemenata), budući da je isključen prelazak d-elektrona sa niskih energetskih nivoa na više energetske nivoe, što uzrokuje boju.

Jedinjenja elemenata grupa IA - IIA su tipične soli; u vodenom rastvoru se gotovo potpuno disociraju na ione i nisu podložni katjonskoj hidrolizi (osim soli Be 2+ i Mg 2+).

jonski kovalentni hidrogen hidrid

Za jone s-elemenata formiranje kompleksa nije tipično. Kristalni kompleksi s - elemenata sa ligandima H 2 O-kristal hidrati, poznati iz davna vremena, na primjer: Na 2 B 4 O 7 10H 2 O-boraks, KAL (SO 4) 2 12H 2 O-stipsa. Molekule vode u kristalnim hidratima su grupisane oko kationa, ali ponekad u potpunosti okružuju anion. Zbog malog naboja jona i velikog radijusa jona alkalni metali najmanje skloni stvaranju kompleksa, uključujući akvakomplekse. Litijum, berilijum i magnezijum joni deluju kao kompleksni agensi u kompleksnim jedinjenjima niske stabilnosti.

Vodonik. Hemijska svojstva vodonika

Vodonik je najlakši s-element. Njegovo elektronska konfiguracija u osnovnom stanju 1S 1 . Atom vodonika sastoji se od jednog protona i jednog elektrona. Posebnost vodonika je u tome što je njegov valentni elektron direktno u sferi djelovanja atomsko jezgro. Vodonik nema srednji elektronski sloj, tako da se vodonik ne može uzeti u obzir elektronski analogni alkalni metali.

Kao i alkalni metali, vodonik je redukciono sredstvo i pokazuje oksidaciono stanje od +1. Spektri vodonika su slični spektrima alkalnih metala. Vodik je sličan alkalnim metalima po svojoj sposobnosti da daju hidratizirani pozitivno nabijeni ion H+ u otopinama.

Kao i halogen, atomu vodika nedostaje jedan elektron. To je razlog postojanja hidridnog jona H - .

Osim toga, kao i atomi halogena, atomi vodonika se odlikuju visokom energijom jonizacije (1312 kJ/mol). Dakle, vodonik zauzima posebnu poziciju u Periodični sistem elementi.

Vodonik je najzastupljeniji element u svemiru, koji čini polovinu mase Sunca i većine zvijezda.

Na Suncu i drugim planetama vodonik je u atomskom stanju, u međuzvjezdanom mediju u obliku djelomično joniziranih dvoatomskih molekula.

Vodonik ima tri izotopa; protij 1 H, deuterijum 2 D i tricijum 3 T, pri čemu je tricijum radioaktivni izotop.

Molekule vodika odlikuju se visokom čvrstoćom i niskom polarizabilnošću, malom veličinom i malom masom, te imaju veliku pokretljivost. Stoga, vodonik ima vrlo niske temperature topljenje (-259,2 o C) i ključanje (-252,8 o C). Zbog velike energije disocijacije (436 kJ/mol), razgradnja molekula na atome se dešava na temperaturama iznad 2000 o C. Vodonik je bezbojan gas, bez mirisa i ukusa. Ima malu gustoću - 8,99 10 -5 g / cm visoki pritisci vodonik prelazi u metalno stanje. Vjeruje se da na udaljenim planetama Solarni sistem- Jupiter i Saturn, vodonik je u metalnom stanju. Postoji pretpostavka da sastav Zemljinog jezgra uključuje i metalni vodonik, gdje se nalazi pod supervisokim pritiskom koji stvara Zemljin omotač.

Hemijska svojstva. Na sobnoj temperaturi molekularni vodonik reaguje samo sa fluorom, kada je zračen svetlošću - sa hlorom i bromom, kada se zagreva sa O 2, S, Se, N 2, C, I 2.

Reakcije vodika s kisikom i halogenima odvijaju se po radikalnom mehanizmu.

Interakcija sa hlorom je primer nerazgranate reakcije kada je zračena svetlošću (fotohemijska aktivacija), kada se zagreva (termalna aktivacija).

Cl + H 2 \u003d HCl + H (razvoj lanca)

H + Cl 2 \u003d HCl + Cl

Eksplozija eksplozivnog plina - smjese vodika i kisika - primjer je procesa razgranatog lanca, kada započeti lanac uključuje ne jednu, već nekoliko faza:

H 2 + O 2 \u003d 2OH

H + O 2 \u003d OH + O

O + H 2 \u003d OH + H

OH + H 2 \u003d H 2 O + H

Eksplozivni proces može se izbjeći radom s čistim vodonikom.

Budući da je vodonik karakteriziran pozitivnim (+1) i negativnim (-1) oksidacijskim stanjima, vodik može pokazati i redukcijska i oksidirajuća svojstva.

Redukciona svojstva vodika se očituju u interakciji s nemetalima:

H 2 (g) + Cl 2 (g) \u003d 2HCl (g),

2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g),

Ove reakcije se nastavljaju oslobađanjem veliki broj toplote, što ukazuje na visoku energiju (jakoću) H-Cl, H-O veza. Stoga, vodik pokazuje redukciona svojstva u odnosu na mnoge okside, halogenide, na primjer:

To je osnova za korištenje vodika kao redukcijskog sredstva za dobivanje jednostavnih tvari iz halogenih oksida.

Još jači reduktor je atomski vodonik. Nastaje od molekularnog pražnjenja elektrona pod uslovima niskog pritiska.

Vodik ima visoku redukcijsku aktivnost u trenutku oslobađanja tokom interakcije metala sa kiselinom. Takav vodonik reducira CrCl 3 u CrCl 2:

2CrCl 3 + 2HCl + 2Zn = 2CrCl 2 + 2ZnCl 2 + H 2 ^

Interakcija vodika sa dušičnim oksidom (II) je važna:

2NO + 2H 2 = N 2 + H 2 O

Koristi se u sistemima za prečišćavanje u proizvodnji azotne kiseline.

Kao oksidant, vodik stupa u interakciju s aktivnim metalima:

U ovom slučaju, vodik se ponaša kao halogen, formirajući slične halogenide hidridi.

Hidridi s-elemenata grupe I imaju jonsku strukturu tipa NaCl. Hemijski, jonski hidridi se ponašaju kao bazična jedinjenja.

Kovalentni uključuju hidride nemetalnih elemenata manje elektronegativnih od samog vodonika, na primjer, hidride sastava SiH 4, BH 3, CH 4. By hemijske prirode Hidridi nemetala su kisela jedinjenja.

Karakteristična karakteristika hidrolize hidrida je oslobađanje vodika, reakcija se odvija prema redoks mehanizmu.

Osnovni hidrid

kiseli hidrid

Zbog oslobađanja vodonika, hidroliza se odvija potpuno i nepovratno (?N<0, ?S>0). U ovom slučaju bazični hidridi formiraju alkalije, a kisele kiseline.

Standardni potencijal sistema je B. Dakle, H jon je jak redukcioni agens.

U laboratoriji se vodik dobiva reakcijom cinka sa 20% sumporne kiseline u Kipp aparatu.

Tehnički cink često sadrži male nečistoće arsena i antimona, koje se reduciraju vodonikom u trenutku oslobađanja u otrovne plinove: arsin SbH 3 i stabyne SbH Takav vodonik može biti otrovan. Kod hemijski čistog cinka reakcija je spora zbog prenapona i dobra struja vodonik se ne može dobiti. Brzina ove reakcije se povećava dodavanjem kristala bakar sulfata, reakcija se ubrzava formiranjem galvanskog Cu-Zn para.

Čistiji vodik nastaje djelovanjem lužine na silicij ili aluminij kada se zagrije:

U industriji se čisti vodonik dobija elektrolizom vode koja sadrži elektrolite (Na 2 SO 4 , Ba (OH) 2).

Velika količina vodonika nastaje kao nusproizvod tokom elektrolize vodeni rastvor natrijum hlorid sa dijafragmom koja razdvaja katodni i anodni prostor,

Najveća količina vodika se dobija gasifikacijom čvrstog goriva (antracita) pregrijanom parom:

Ili konverzijom prirodni gas(metan) pregrijana para:

Dobivena smjesa (sintetski plin) se koristi u proizvodnji mnogih organskih spojeva. Prinos vodonika se može povećati propuštanjem sintetskog gasa preko katalizatora, dok se CO pretvara u CO 2 .

Aplikacija. Velika količina vodika se troši u sintezi amonijaka. Za proizvodnju hlorovodonika i hlorovodonične kiseline, za hidrogenaciju biljnih masti, za redukciju metala (Mo, W, Fe) iz oksida. Vodonik-kiseonički plamen se koristi za zavarivanje, rezanje i topljenje metala.

Kao raketno gorivo koristi se tečni vodonik. Vodonično gorivo je ekološki prihvatljivo i energetski intenzivniji od benzina, pa bi mogao zamijeniti naftne derivate u budućnosti. U svijetu već nekoliko stotina automobila radi na vodonik. Problemi energije vodika povezani su sa skladištenjem i transportom vodonika. Vodonik uskladišten u podzemnim tankerima u tečno stanje pod pritiskom od 100 atm. Prevoz velikih količina tečnog vodonika predstavlja ozbiljnu opasnost.

Vodonik je najzastupljeniji hemijski element u svemiru. On je taj koji čini osnovu zapaljive supstance Zvezda.

Vodonik je prvi hemijski element u periodnom sistemu Mendeljejeva. Njegov atom ima najjednostavniju strukturu: jedan elektron rotira oko elementarne čestice "protona" (jezgra atoma):

Prirodni vodonik sastoji se od tri izotopa: protijuma 1 H, deuterijuma 2 H i tricijuma 3 H.

Zadatak 12.1. Navedite strukturu jezgara atoma ovih izotopa.

Imajući jedan elektron na vanjskom nivou, atom vodika može pokazati jedinu moguću valenciju I za njega:

Pitanje. Da li se završeni vanjski nivo formira kada atom vodonika prihvati elektrone?

Dakle, atom vodonika može i prihvatiti i dati jedan elektron, tj. tipičan je nemetal. AT bilo koji jedinjenja atom vodonika jedan valentine.

Jednostavna supstanca "vodik" H 2- plin bez boje i mirisa, vrlo lagan. Slabo je rastvorljiv u vodi, ali je veoma rastvorljiv u mnogim metalima. Dakle, jedna zapremina paladijuma Rd apsorbuje do 900 zapremina vodonika.

Shema (1) pokazuje da vodik može biti i oksidacijski i redukcijski agens, reagirajući s aktivnim metalima i mnogim nemetalima:

Zadatak 12.2. Odrediti u kojim je reakcijama vodik oksidacijski agens, a u kojim redukcijski agens. Zapiši to molekul vodonika se sastoji od dva atoma.

Mešavina vodonika i kiseonika je „eksplozivni gas“, jer kada se zapali dolazi do jake eksplozije koja je odnela mnogo života. Stoga se eksperimenti u kojima se oslobađa vodonik moraju izvoditi daleko od vatre.

Najčešće, vodik pokazuje redukciona svojstva, koja se koristi za dobijanje čistih metala iz njihovih oksida *:

* Aluminij pokazuje slična svojstva (vidi lekciju 10 - aluminotermija).

Različite reakcije se odvijaju između vodika i organska jedinjenja. Dakle, zbog dodavanja vodonika ( hidrogenacija) tečne masti se pretvaraju u čvrste ( više lekcija 25).

Vodik se može dobiti na različite načine:

• Interakcija metala sa kiselinama:

Zadatak 12.3. aluminijum, bakar i cink hlorovodonične kiseline . U kojim slučajevima se reakcija ne dešava? Zašto? U slučaju poteškoća, pogledajte lekcije 2.2 i 8.3;

• Interakcija aktivni metali sa vodom:

Zadatak 12.4. Napišite jednadžbe za takve reakcije za natrijum, barijum, aluminijum, gvožđe, olovo. U kojim slučajevima se reakcija ne dešava? Zašto? U slučaju poteškoća, pogledajte lekciju 8.3.

U industrijskim razmjerima, vodik se dobiva elektrolizom vode:

kao i prilikom prolaska vodene pare kroz vruće gvozdene opiljke:

Vodonik je najzastupljeniji element u svemiru. On se pomiri većina mase zvijezda i sudjeluje u termonuklearnoj fuziji – izvoru energije koju ove zvijezde zrače.

Kiseonik

Kiseonik je najčešći hemijski element na našoj planeti: više od polovine atoma Zemljina kora pripada kiseoniku. Supstanca kiseonik O 2 čini oko 1/5 naše atmosfere, a hemijski element kiseonik 8/9 hidrosfere (okeani).

U periodnom sistemu Mendeljejeva, kiseonik ima redni broj 8 i nalazi se u grupi VI drugog perioda. Dakle, struktura atoma kiseonika je sledeća:

Imajući 6 elektrona na vanjskom nivou, kisik je tipičan nemetal, tj. dva elektrona do završetka vanjskog nivoa:

Prema tome, kiseonik u svojim jedinjenjima pokazuje valenciju II i oksidacijskom stanju –2 (isključujući perokside).

Prihvatajući elektrone, atom kiseonika ispoljava svojstva oksidacionog sredstva. Ovo svojstvo kiseonika je izuzetno važno: oksidacioni procesi se javljaju tokom disanja, metabolizma; oksidacijski procesi nastaju prilikom sagorijevanja jednostavnih i složenih tvari.

Sagorijevanje - oksidacija jednostavnih i složenih tvari praćeno oslobađanjem svjetlosti i topline. Gotovo svi metali i nemetali izgaraju ili oksidiraju u atmosferi kisika. U tom slučaju nastaju oksidi:

* Tačnije, Fe 3 O 4 .

Kada gori u kiseoniku složene supstance nastaju oksidi hemijski elementi, uključeno u originalnu supstancu. Samo azot i halogeni se emituju kao jednostavne supstance:

Druga od ovih reakcija se koristi kao izvor toplote i energije u svakodnevnom životu i industriji, od metana CH 4 uključeno u prirodni gas.

Kiseonik omogućava intenziviranje mnogih industrijskih i bioloških procesa. U velikim količinama kiseonik se dobija iz vazduha, kao i elektrolizom vode (kao i vodonika). U malim količinama može se dobiti razgradnjom složenih supstanci:

Zadatak 12.5. Rasporedite koeficijente u ovdje datim jednadžbama reakcija.

Voda

Voda se ne može ničim zamijeniti - po tome se razlikuje od gotovo svih drugih tvari koje se nalaze na našoj planeti. Voda se može zamijeniti samo samom vodom. Bez vode nema života: na kraju krajeva, život na Zemlji je nastao kada se na njoj pojavila voda. Život je nastao u vodi jer je ona prirodna univerzalija rastvarač. Rastvara i samim tim melje sve potrebne hranjive tvari i opskrbljuje ih stanicama živih organizama. A kao rezultat mljevenja, brzina kemijskih i biokemijskih reakcija naglo se povećava. Štaviše, bez prethodnog rastvaranja ne može doći do 99,5% (199 od svakih 200) reakcija! (Vidi i lekciju 5.1.)

Poznato je da odrasla osoba treba da dobije 2,5-3 litre vode dnevno, ista količina se izlučuje iz organizma: to jest, u ljudskom tijelu postoji ravnoteža vode. Ako se prekrši, osoba može jednostavno umrijeti. Na primjer, gubitak samo 1-2% vode uzrokuje žeđ, a 5% povećava tjelesnu temperaturu zbog kršenja termoregulacije: javlja se otkucaj srca, javljaju se halucinacije. Gubitkom od 10% ili više vode u tijelu dolazi do promjena koje već mogu biti nepovratne. Osoba će umrijeti od dehidracije.

Voda je jedinstvena supstanca. Njegova tačka ključanja bi trebala biti -80 °C (!), ali je +100 °C. Zašto? Jer između polarnih molekula vode nastaju vodonične veze:

Stoga su i led i snijeg rastresiti, zauzimaju veći volumen od tekuće vode. Kao rezultat toga, led se izdiže na površinu vode i štiti stanovnike rezervoara od smrzavanja. Svježe pali snijeg sadrži puno zraka i odličan je izolator topline. Ako je snijeg pokrio zemlju debelim slojem, tada su i životinje i biljke spašene od najtežih mrazeva.

Osim toga, voda ima veliki toplinski kapacitet i svojevrsni je akumulator topline. Stoga je na obalama mora i okeana klima blaga, a dobro zalijevane biljke manje pate od mraza nego suhe.

Nemoguće bez vode hidroliza, hemijska reakcija koja nužno prati apsorpciju proteina, masti i ugljikohidrata, koji se obavezno komponente naše hrane. Kao rezultat hidrolize, ovi kompleksi organska materija razgrađuju se do tvari male molekularne težine, koje, zapravo, apsorbira živi organizam (za više detalja, vidjeti lekcije 25-27). O procesima hidrolize smo govorili u lekciji 6. Voda reaguje sa mnogim metalima i nemetalima, oksidima, solima.

Zadatak 12.6. Napišite jednadžbe reakcije:

1. natrijum + voda →
2. hlor + voda →
3. kalcijum oksid + voda →
4. sumpor oksid (IV) + voda →
5. cink hlorid + voda →
6. natrijum silikat + voda →

Da li to mijenja reakciju medija (pH)?

Voda je proizvod mnoge reakcije. Na primjer, u reakciji neutralizacije i u mnogim OVR-ima, voda se nužno formira.

Zadatak 12.7. Napišite jednadžbe za takve reakcije.

zaključci

Vodonik je najčešći hemijski element u svemiru, a kiseonik je najčešći hemijski element na Zemlji. Ove tvari pokazuju suprotna svojstva: vodik je redukcijski agens, a kisik je oksidacijski agens. Stoga lako reaguju jedni na druge, tvoreći najnevjerovatniju i najčešću supstancu na Zemlji - vodu.

Interakcija vodonik With kiseonik, kako je ustanovio Sir Henry Cavendish, dovodi do stvaranja vode. Nastavimo s tim jednostavan primjer naučite da komponujete jednačine hemijskih reakcija.
Od čega dolazi vodonik i kiseonik, već znamo:

H 2 + O 2 → H 2 O

Sada uzimamo u obzir da atomi hemijskih elemenata u hemijskim reakcijama ne nestaju i ne nastaju ni iz čega, ne pretvaraju se jedni u druge, već kombinujte u nove kombinacije da formiraju nove molekule. To znači da u jednadžbi hemijske reakcije atoma svake vrste mora biti isti broj prije reakcije ( lijevo iz znaka jednakosti) i poslije kraj reakcije ( desno iz znaka jednakosti), ovako:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

To je ono što je jednadžba reakcije - uslovni zapis tekuće hemijske reakcije koristeći formule supstanci i koeficijenata.

To znači da u gornjoj reakciji dva madeža vodonik treba da reaguje sa za jedan madež kiseonik, a rezultat će biti dva madeža vode.

Interakcija vodonik With kiseonik- nije nimalo jednostavan proces. To dovodi do promjene oksidacijskih stanja ovih elemenata. Za odabir koeficijenata u takvim jednadžbama obično se koristi metoda " elektronski balans".

Kada se voda formira od vodonika i kiseonika, to znači da vodonik promijenio svoje oksidacijsko stanje iz 0 prije +I, a kiseonik- od 0 prije −II. Istovremeno, nekoliko (n) elektroni:

Ovdje služe elektroni koji doniraju vodonik redukciono sredstvo i elektroni koji prihvataju kiseonik - oksidaciono sredstvo.

Oksidirajuća i redukcijska sredstva

Pogledajmo sada kako procesi davanja i primanja elektrona izgledaju odvojeno. Vodonik, susrevši se sa "razbojnikom" - kiseonikom, gubi sve svoje svojstvo - dva elektrona, a njegovo oksidaciono stanje postaje jednako +I:

H 2 0 − 2 e− = 2N + I

Desilo se jednadžba polu-reakcije oksidacije vodonik.

I bandit kiseonik Oko 2, nakon što je uzeo posljednje elektrone od nesretnog vodonika, vrlo je zadovoljan svojim novim oksidacijskim stanjem -II:

O 2 + 4 e− = 2O − II

to jednadžba polureakcije redukcije kiseonik.

Ostaje dodati da su i "razbojnik" i njegova "žrtva" izgubili svoj hemijski identitet i od jednostavnih supstanci - gasova sa dvoatomskim molekulima H 2 i Oko 2 postanite dio novog hemijski - vode H 2 O.

Dalje ćemo argumentirati na sljedeći način: koliko je elektrona reduktor dao oksidirajućem banditu, toliko je i dobio. Broj elektrona doniranih redukcijskim agensom mora biti jednak broju elektrona koje je prihvatio oksidacijski agens..

Tako da ti treba izjednačiti broj elektrona u prvoj i drugoj polureakciji. U hemiji je prihvaćen sljedeći uslovni oblik pisanja jednadžbi polureakcija:

Ovdje su brojevi 2 i 1 lijevo od vitičaste zagrade faktori koji će pomoći da se osigura da je broj datih i primljenih elektrona jednak. Uzimamo u obzir da se u jednačinama polureakcija 2 elektrona daju, a prihvataju 4. Za izjednačavanje broja primljenih i datih elektrona nalazi se najmanji zajednički višekratnik i dodatni faktori. U našem slučaju, najmanji zajednički višekratnik je 4. Dodatni faktori će biti 2 za vodonik (4:2 = 2), a za kiseonik - 1 (4:4 = 1)
Rezultirajući množitelji će poslužiti kao koeficijenti buduće jednačine reakcije:

2H 2 0 + O 2 0 \u003d 2H 2 + I O -II

Vodonik oksidirano ne samo prilikom susreta kiseonik. Približno isti efekat na vodonik i fluor F2, halogen i čuveni "razbojnik", a naizgled bezopasan nitrogen N 2:

Ovo rezultira fluorovodonik HF ili amonijak NH3.

U oba spoja, oksidacijsko stanje vodonik postaje jednak +I, jer dobija partnere u molekulu "pohlepne" za tuđim elektronskim dobrom, sa visokom elektronegativnošću - fluor F i nitrogen N. At nitrogen vrijednost elektronegativnosti se smatra jednakom tri konvencionalne jedinice, a y fluor općenito, najveća elektronegativnost među svim kemijskim elementima je četiri jedinice. Stoga nije ni čudo što ostavljaju jadni atom vodika bez ikakvog elektronskog okruženja.

Ali vodonik možda restaurirati- prihvatiti elektrone. To se događa ako u reakciji s njim sudjeluju alkalni metali ili kalcij, kod kojih je elektronegativnost manja od vodonika.