Ջրածնի ֆիզիկական հատկությունները. Ջրածնի հատկությունները և կիրառությունները

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 17:49

Ջրածինը H-ն քիմիական տարր է, որն ամենատարածվածներից է մեր Տիեզերքում: Ջրածնի զանգվածը որպես տարր նյութերի բաղադրության մեջ կազմում է այլ տեսակի ատոմների ընդհանուր պարունակության 75%-ը։ Այն ընդգրկված է մոլորակի ամենակարեւոր եւ կենսական կապի՝ ջրի մեջ։ Ջրածնի տարբերակիչ առանձնահատկությունն այն է նաև, որ այն առաջին տարրն է Դ. Ի. Մենդելեևի քիմիական տարրերի պարբերական համակարգում։

Բացահայտում և հետախուզում

Ջրածնի մասին առաջին հիշատակումները Պարացելսուսի գրվածքներում սկսվում են տասնվեցերորդ դարից: Բայց դրա մեկուսացումը օդի գազային խառնուրդից և այրվող հատկությունների ուսումնասիրությունն արդեն իրականացվել է տասնյոթերորդ դարում գիտնական Լեմերիի կողմից: Ջրածինը մանրակրկիտ ուսումնասիրել է անգլիացի քիմիկոս, ֆիզիկոս և բնագետ Հենրի Քավենդիշը, ով փորձնականորեն ապացուցել է, որ ջրածնի զանգվածն ամենափոքրն է մյուս գազերի համեմատ։ Գիտության զարգացման հետագա փուլերում նրա հետ աշխատել են բազմաթիվ գիտնականներ, մասնավորապես Լավուազեն, ով նրան անվանել է «ջուր ծնող»:

Բնութագիր ըստ PSHE-ի դիրքի

Բացվող տարրԴ. Ի. Մենդելեևի պարբերական աղյուսակը ջրածին է: Ատոմի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները ցույց են տալիս որոշակի երկակիություն, քանի որ ջրածինը միաժամանակ վերագրվում է առաջին խմբին` հիմնական ենթախմբին, եթե այն իրեն մետաղի նման է պահում և քիմիական ռեակցիայի ընթացքում տալիս է մեկ էլեկտրոն, և յոթերորդ՝ վալենտական թաղանթի ամբողջական լրացման դեպքում, այսինքն՝ ընդունման բացասական մասնիկ, որը բնութագրում է այն որպես հալոգենների նման։

Տարրի էլեկտրոնային կառուցվածքի առանձնահատկությունները

Ջրածնի ատոմի հատկությունները, այն բարդ նյութերը, որոնց մաս է կազմում, և ամենապարզ նյութը՝ H₂, հիմնականում որոշվում են ջրածնի էլեկտրոնային կազմաձևով: Մասնիկն ունի Z=(-1) մեկ էլեկտրոն, որն իր ուղեծրով պտտվում է միջուկի շուրջ, պարունակում է մեկ պրոտոն՝ միավոր զանգվածով և դրական լիցքով (+1): Դրա էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան գրված է որպես 1s^{1, ինչը նշանակում է մեկ բացասական մասնիկի առկայություն ջրածնի առաջին և միակ s ուղեծրում::}

Երբ էլեկտրոնն անջատվում կամ բաժանվում է, և այս տարրի ատոմն այնպիսի հատկություն ունի, որ այն կապված է մետաղների հետ, ստացվում է կատիոն: Իրականում ջրածնի իոնը դրական տարրական մասնիկ է։ Հետևաբար, էլեկտրոնից զուրկ ջրածինը պարզապես պրոտոն է կոչվում։

Ֆիզիկական հատկություններ

Եթե հակիրճ նկարագրենք ջրածնի ֆիզիկական հատկությունները, ապա այն անգույն, թեթևակի լուծվող գազ է, որի հարաբերական ատոմային զանգվածը հավասար է 2, օդից 14,5 անգամ ավելի թեթև, ջերմաստիճանով։հեղուկացում -252,8 աստիճան Ցելսիուս։

Դուք հեշտությամբ կարող եք փորձից տեսնել, որ H₂-ն ամենահեշտն է: Դա անելու համար բավական է երեք գնդակ լցնել տարբեր նյութերով՝ ջրածնով, ածխաթթու գազով, սովորական օդով և միաժամանակ դրանք բաց թողնել ձեռքից։ CO₂-ով լցվածը բոլորից ավելի արագ կհասնի գետնին, դրանից հետո օդի փքված խառնուրդը կիջնի, իսկ այն պարունակողը՝ H_{2 կբարձրանա մինչև առաստաղ։}

Ջրածնի մասնիկների փոքր զանգվածը և չափը արդարացնում են տարբեր նյութերի միջով ներթափանցելու նրա կարողությունը։ Նույն գնդակի օրինակով դա հեշտ է ստուգել, մի քանի օրից այն ինքն իրեն կփչանա, քանի որ գազը պարզապես կանցնի ռետինով: Նաև ջրածինը կարող է կուտակվել որոշ մետաղների (պալադիում կամ պլատին) կառուցվածքում և գոլորշիանալ դրանից, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է։

Ջրածնի ցածր լուծելիության հատկությունը լաբորատոր պրակտիկայում օգտագործվում է ջրի տեղաշարժի մեթոդով մեկուսացման համար։ Ջրածնի ֆիզիկական հատկությունները (ստորև բերված աղյուսակը պարունակում է հիմնական պարամետրերը) որոշում են դրա կիրառման շրջանակը և արտադրության մեթոդները:

Ատոմի կամ պարզ նյութի մոլեկուլի պարամետր	Իմաստ
Ատոմային զանգված (մոլային զանգված)	1,008 գ/մոլ
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա	1s1
Բյուրեղյա վանդակ	Վեցանկյուն
Ջերմային հաղորդունակություն	(300 K) 0,1815 W/(m K)
Խտությունը n. y.	0, 08987 գ/լ
եռման կետ	-252, 76 °C
հատուկ ջերմային արժեք	120, 9 106 J/kg
Հալման կետ	-259, 2 °C
Ջրային լուծելիություն	18, 8 մլ/լ

Իզոտոպային բաղադրություն

Ինչպես քիմիական տարրերի պարբերական համակարգի շատ այլ ներկայացուցիչներ, ջրածինը ունի մի քանի բնական իզոտոպներ, այսինքն՝ միջուկում նույն քանակությամբ պրոտոններ ունեցող ատոմներ, բայց տարբեր թվով նեյտրոններ՝ զրոյական լիցք և միավոր ունեցող մասնիկներ։ զանգվածային. Այս հատկությունն ունեցող ատոմների օրինակներ են թթվածինը, ածխածինը, քլորը, բրոմը և այլն, ներառյալ ռադիոակտիվները:

Ջրածնի ֆիզիկական հատկությունները ¹H, որն այս խմբի ներկայացուցիչներից ամենատարածվածն է, զգալիորեն տարբերվում է իր նմանակների նույն հատկանիշներից: Մասնավորապես, տարբերվում են այն նյութերի բնութագրերը, որոնցում դրանք ներառված են։ Այսպիսով, կա սովորական և դյութերացված ջուր, որն իր բաղադրության մեջ պարունակում է մեկ պրոտոն ունեցող ջրածնի ատոմի փոխարեն դեյտերիում ²H - նրա իզոտոպը երկու տարրական մասնիկներով՝ դրական և չլիցքավորված: Այս իզոտոպը երկու անգամ ավելի ծանր է, քան սովորական ջրածինը, ինչը բացատրում է նրանց կազմած միացությունների հատկությունների հիմնարար տարբերությունը: Բնության մեջ դեյտերիումը 3200 անգամ ավելի հազվադեպ է, քան ջրածինը։ Երրորդ ներկայացուցիչը տրիտիումն է ^{3Н, միջուկում այն ունի երկու նեյտրոն և մեկ պրոտոն:}

Ստացման և ընտրության եղանակներ

Ջրածնի արտադրության լաբորատոր և արդյունաբերական մեթոդները շատ տարբեր են: Այո, փոքր քանակությամբգազն արտադրվում է հիմնականում հանքանյութերի հետ կապված ռեակցիաների միջոցով, մինչդեռ լայնածավալ արտադրությունն ավելի մեծ չափով օգտագործում է օրգանական սինթեզ։

Լաբորատորիայում օգտագործվում են հետևյալ քիմիական փոխազդեցությունները.

1. Ալկալիների և հողալկալիական մետաղների արձագանքը ջրի հետ՝ առաջացնելով ալկալի և ցանկալի գազ։
2. Ջրային էլեկտրոլիտի լուծույթի էլեկտրոլիզ, H_{2↑ ազատվում է անոդում, իսկ թթվածինը ազատվում է կաթոդից:}
3. Ալկալիական մետաղների հիդրիդների տարրալուծում ջրով, արգասիքները ալկալի են և, համապատասխանաբար, H գազ_2↑.
4. Նորացրած թթուների արձագանքը մետաղների հետ՝ առաջացնելով աղեր և H_2↑.
5. Ալկալիների ազդեցությունը սիլիցիումի, ալյումինի և ցինկի վրա նույնպես նպաստում է ջրածնի արտազատմանը բարդ աղերի առաջացմանը զուգահեռ:

Արդյունաբերական շահերից ելնելով գազը ստանում են այնպիսի մեթոդներով, ինչպիսիք են՝

1. Մեթանի ջերմային տարրալուծումը կատալիզատորի առկայության դեպքում նրա բաղկացուցիչ պարզ նյութերին (350 աստիճանը հասնում է այնպիսի ցուցանիշի, ինչպիսին ջերմաստիճանն է) - ջրածին H_{2↑ և ածխածին C.}
2. 1000 աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճանում գոլորշի ջրի անցումը կոքսի միջով` առաջացնելով ածխածնի երկօքսիդ CO₂ և H_{2↑ (ամենատարածված մեթոդը)}
3. Գազային մեթանի փոխակերպումը նիկելի կատալիզատորի վրա 800 աստիճանի ջերմաստիճանում։
4. Ջրածինը կալիումի կամ նատրիումի քլորիդների ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզի կողմնակի արտադրանք է։

Քիմիականփոխազդեցություններ. ընդհանրություններ

Ջրածնի ֆիզիկական հատկությունները մեծապես բացատրում են նրա վարքագիծը այս կամ այն միացությունների հետ ռեակցիայի գործընթացներում: Ջրածնի վալենտականությունը 1 է, քանի որ այն գտնվում է պարբերական աղյուսակի առաջին խմբում, իսկ օքսիդացման աստիճանը ցույց է տալիս այլ: Բոլոր միացություններում, բացառությամբ հիդրիդների, ջրածինը s.o.=(1+), մոլեկուլներում, ինչպիսիք են ХН, ХН₂, ХН_{3 - (1 -).}

Ջրածնի գազի մոլեկուլը, որը ձևավորվել է ընդհանրացված էլեկտրոնային զույգ ստեղծելով, բաղկացած է երկու ատոմից և էներգետիկ առումով բավականին կայուն է, այդ իսկ պատճառով նորմալ պայմաններում այն որոշ չափով իներտ է և մտնում է ռեակցիաների, երբ նորմալ պայմանները փոխվում են։ Կախված այլ նյութերի բաղադրության մեջ ջրածնի օքսիդացման աստիճանից, այն կարող է հանդես գալ և՛ որպես օքսիդացնող, և՛ որպես վերականգնող նյութ։

Նյութեր, որոնց հետ այն փոխազդում է և ձևավորում ջրածին

Տարրական փոխազդեցություններ բարդ նյութեր առաջացնելու համար (հաճախ բարձր ջերմաստիճաններում):

1. Ալկալային և հողալկալիական մետաղ + ջրածին=հիդրիդ։
2. Հալոգեն + H_{2=ջրածնի հալոգեն։}
3. Ծծումբ + ջրածին=ջրածնի սուլֆիդ։
4. Թթվածին + H_2=ջուր։
5. Ածխածին + ջրածին=մեթան։
6. Ազոտ + H_{2=ամոնիակ.}

Փոխազդեցություն բարդ նյութերի հետ.

1. Ածխածնի մոնօքսիդից և ջրածնից սինթեզ գազ արտադրում։
2. Մետաղների վերականգնում դրանց օքսիդներից՝ օգտագործելով H_2.
3. Չհագեցած ալիֆատիկի ջրածնային հագեցվածությունըածխաջրածիններ.

Ջրածնային կապ

Ջրածնի ֆիզիկական հատկություններն այնպիսին են, որ թույլ են տալիս նրան, լինելով էլեկտրաբացասական տարրի հետ համակցված, ձևավորել հատուկ տեսակի կապ նույն ատոմի հետ հարևան մոլեկուլներից, որոնք ունեն էլեկտրոնային զույգեր (օրինակ՝ թթվածին, ազոտ և ֆտոր): Ամենավառ օրինակը, որի վրա ավելի լավ է դիտարկել նման երեւույթը, ջուրն է։ Կարելի է ասել, որ այն կարված է ջրածնային կապերով, որոնք ավելի թույլ են, քան կովալենտները կամ իոնները, սակայն դրանց շատ լինելու պատճառով էականորեն ազդում են նյութի հատկությունների վրա։ Ըստ էության, ջրածնային կապը էլեկտրաստատիկ փոխազդեցություն է, որը կապում է ջրի մոլեկուլները դիմերների և պոլիմերների մեջ՝ առաջացնելով դրա բարձր եռման կետը։

Ջրածինը հանքային միացություններում

Բոլոր անօրգանական թթուների բաղադրությունը ներառում է պրոտոն՝ ատոմի կատիոն, ինչպիսին է ջրածինը: Այն նյութը, որի թթվային մնացորդն ունի (-1)-ից ավելի օքսիդացման աստիճան, կոչվում է բազմաբազային միացություն: Այն պարունակում է մի քանի ջրածնի ատոմներ, որոնք ջրային լուծույթներում տարանջատումը դարձնում են բազմաստիճան։ Յուրաքանչյուր հաջորդ պրոտոն ավելի ու ավելի դժվար է անջատվում մնացած թթվից: Միջավայրում ջրածնի քանակական պարունակությամբ որոշվում է նրա թթվայնությունը։

Ջրածինը պարունակում է նաև հիմքերի հիդրօքսիլ խմբեր։ Դրանցում ջրածինը միացված է թթվածնի ատոմին, արդյունքում այս ալկալի մնացորդի օքսիդացման աստիճանը միշտ հավասար է (-1): Միջավայրում հիդրօքսիլների պարունակությունը որոշում է դրա հիմնականությունը։

Կիրառում մարդկային գործունեության մեջ

Նյութով բալոնները, ինչպես նաև այլ հեղուկ գազերով, օրինակ՝ թթվածինով տարաները, ունեն յուրահատուկ տեսք։ Դրանք ներկված են մուգ կանաչ վառ կարմիր «Ջրածին» գրությամբ։ Գազը մղվում է բալոնի մեջ մոտ 150 մթնոլորտ ճնշման տակ։ Ջրածնի ֆիզիկական հատկությունները, մասնավորապես ագրեգացման գազային վիճակի թեթևությունը, օգտագործվում են այն խառնուրդի մեջ հելիումի փուչիկներով, փուչիկներով և այլն լցնելու համար։

Ջրածինը, որի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները մարդիկ սովորել են օգտագործել շատ տարիներ առաջ, ներկայումս օգտագործվում է բազմաթիվ ոլորտներում: Դրա մեծ մասը գնում է ամոնիակի արտադրությանը։ Ջրածինը նաև ներգրավված է օքսիդներից մետաղների (հաֆնիում, գերմանիում, գալիում, սիլիցիում, մոլիբդեն, վոլֆրամ, ցիրկոնիում և այլն) արտադրության մեջ, որը ռեակցիայի մեջ գործում է որպես վերականգնող նյութ, հիդրոցյանային և աղաթթուներ, մեթիլ սպիրտ և արհեստական հեղուկ։ վառելիք. Սննդի արդյունաբերությունն այն օգտագործում է բուսական յուղերը պինդ ճարպերի վերածելու համար։

Որոշել է ջրածնի քիմիական հատկությունները և օգտագործումը ճարպերի, ածուխների, ածխաջրածինների, յուղերի և մազութի ջրածնի և ջրածնի տարբեր գործընթացներում: Դրա օգնությամբ արտադրվում են թանկարժեք քարեր, շիկացած լամպեր, թթվածին-ջրածնային բոցի ազդեցությամբ կեղծվում և եռակցվում են մետաղական իրեր։։