Vety- kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ensimmäinen kemiallinen alkuaine D.I. Mendelejev. Kemiallinen alkuaine vety sijaitsee jaksollisen järjestelmän ensimmäisessä ryhmässä, pääalaryhmässä, ensimmäisessä jaksossa.
Vedyn suhteellinen atomimassa = 1.
Vety on atomin yksinkertaisin rakenne, se koostuu yhdestä elektronista, joka sijaitsee ydinavaruudessa. Vetyatomin ydin koostuu yhdestä protonista.
Vetyatomi voi kemiallisissa reaktioissa sekä luovuttaa että lisätä elektronin muodostaen kahdenlaisia ioneja:
H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.
Vety on maailmankaikkeuden runsain alkuaine. Sen osuus kaikista atomeista on noin 88,6 % (noin 11,3 % on heliumatomeja, kaikkien muiden alkuaineiden osuus yhteensä on noin 0,1 %). Siten vety on tähtien ja tähtienvälisen kaasun pääkomponentti. Tähtienvälisessä avaruudessa tämä elementti esiintyy yksittäisten molekyylien, atomien ja ionien muodossa ja voi muodostaa molekyylipilviä, joiden koko, tiheys ja lämpötila vaihtelevat merkittävästi.
Vedyn massaosuus maankuoressa on 1 %. Se on yhdeksänneksi yleisin elementti. Vedyn merkitys maan päällä tapahtuvissa kemiallisissa prosesseissa on lähes yhtä suuri kuin hapen merkitys. Toisin kuin happi, jota on maapallolla sekä sitoutuneessa että vapaassa tilassa, käytännössä kaikki maan päällä oleva vety on yhdisteiden muodossa; ilmakehässä on vain hyvin pieni määrä vetyä yksinkertaisen aineen muodossa (0,00005 tilavuusprosenttia kuivalle ilmalle).
Vety on lähes kaikkien orgaanisten aineiden ainesosa ja sitä on kaikissa elävissä soluissa.
Vedyn fysikaaliset ominaisuudet
Yksinkertaisella aineella, jonka muodostaa kemiallinen alkuaine vety, on molekyylirakenne. Sen koostumus vastaa kaavaa H2. Kuten kemiallinen alkuaine, yksinkertaista ainetta kutsutaan myös vedyksi.
Vety Se on väritön kaasu, hajuton ja mauton, käytännössä liukenematon veteen. Huoneenlämmössä ja normaalissa ilmanpaineessa liukoisuus on 18,8 ml kaasua 1 litrassa vettä.
Vety- kevyin kaasu, sen tiheys on 0,08987 g / l. Vertailun vuoksi: ilman tiheys on 1,3 g/l.
Vety voi liueta metalleihin esimerkiksi jopa 850 tilavuutta vetyä voi liueta yhteen tilavuuteen palladiumia. Äärimmäisen pienen molekyylikoon ansiosta vety pystyy diffundoitumaan monien materiaalien läpi.
Kuten muutkin kaasut, vety tiivistyy matalissa lämpötiloissa värittömäksi läpinäkyväksi nesteeksi, tämä tapahtuu lämpötilassa - 252,8 °C. Kun lämpötila saavuttaa -259,2 °C, vety kiteytyy valkoisina kiteinä, kuten lumi.
Toisin kuin happi, vedyllä ei ole allotropiaa.
Vedyn käyttö
Vetyä käytetään eri teollisuudenaloilla. Paljon vetyä menee ammoniakin tuotantoon (NH3). Ammoniakkista saadaan typpilannoitteita, synteettisiä kuituja ja muoveja sekä lääkkeitä.
Elintarviketeollisuudessa vetyä käytetään kovia rasvoja sisältävän margariinin valmistuksessa. Niiden saamiseksi nestemäisistä rasvoista vetyä johdetaan niiden läpi.
Kun vety palaa hapessa, liekin lämpötila on n 2500 °C. Tässä lämpötilassa tulenkestäviä metalleja voidaan sulattaa ja hitsata. Siten vetyä käytetään hitsauksessa.
Rakettipolttoaineena käytetään nestemäisen vedyn ja hapen seosta.
Tällä hetkellä useat maat ovat aloittaneet tutkimuksen uusiutumattomien energialähteiden (öljy, kaasu, hiili) korvaamisesta vedyllä. Kun vetyä poltetaan hapessa, muodostuu ympäristöystävällinen tuote - vesi, ei hiilidioksidi, joka aiheuttaa kasvihuoneilmiön.
Tiedemiehet ehdottavat, että 2000-luvun puolivälissä vetykäyttöisten autojen massatuotanto pitäisi aloittaa. Kotitalouksien polttokennot, joiden työ perustuu myös vedyn hapetukseen hapella, löytävät laajan sovelluksen.
1800-luvun lopussa ja 1900-luvun alussa ilmailun aikakauden kynnyksellä ilmapallot, ilmalaivat ja ilmapallot täytettiin vedyllä, koska se on paljon ilmaa kevyempää. Ilmalaivojen aikakausi alkoi kuitenkin hiipua nopeasti menneisyyteen ilmalaivalle tapahtuneen katastrofin jälkeen Hindenburg. 6. toukokuuta 1937 ilmalaiva, vedyllä täytettynä, syttyi tuleen, mikä johti kymmenien matkustajien kuolemaan.
Vety on tietyissä suhteissa erittäin räjähtävää hapen kanssa. Turvallisuusmääräysten noudattamatta jättäminen johti ilmalaivan syttymiseen ja räjähtämiseen.
- Vety- kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ensimmäinen kemiallinen alkuaine D.I. Mendelejev
- Vety sijaitsee jaksollisen järjestelmän ryhmässä I, pääalaryhmässä, jaksossa 1
- Vedyn valenssi yhdisteissä - I
- Vety Väritön kaasu, hajuton ja mauton, käytännössä liukenematon veteen
- Vety- kevyin kaasu
- Matalissa lämpötiloissa syntyy nestemäistä ja kiinteää vetyä
- Vety voi liueta metalleihin
- Vetysovelluksia on monenlaisia
Vetyatomilla on ulomman (ja ainoan) elektronisen tason 1 elektroninen kaava s yksi . Toisaalta yhden elektronin läsnäololla ulkoisella elektronitasolla vetyatomi on samanlainen kuin alkalimetalliatomit. Kuitenkin, kuten halogeeneista, siitä puuttuu vain yksi elektroni ulkoisen elektronisen tason täyttämiseksi, koska ensimmäisellä elektronitasolla ei voi sijaita enempää kuin 2 elektronia. Osoittautuu, että vety voidaan sijoittaa samanaikaisesti sekä jaksollisen järjestelmän ensimmäiseen että toiseksi viimeiseen (seitsemänteen) ryhmään, mikä joskus tehdään jaksollisen järjestelmän eri versioissa:
Vedyn ominaisuuksien kannalta yksinkertaisena aineena sillä on kuitenkin enemmän yhteistä halogeenien kanssa. Vety, samoin kuin halogeenit, on ei-metalli ja muodostaa kaksiatomisia molekyylejä (H 2) samalla tavalla kuin ne.
Normaaleissa olosuhteissa vety on kaasumainen, inaktiivinen aine. Vedyn alhainen aktiivisuus selittyy molekyylin vetyatomien välisen sidoksen suurella lujuudella, mikä vaatii joko voimakasta kuumennusta tai katalyyttien käyttöä tai molempien yhtä aikaa sen katkaisemiseen.
Vedyn vuorovaikutus yksinkertaisten aineiden kanssa
metallien kanssa
Metalleista vety reagoi vain alkalin ja maa-alkalimaan kanssa! Alkalimetalleihin kuuluvat ryhmän I pääalaryhmän metallit (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) ja maa-alkalimetallit ovat ryhmän II pääalaryhmän metalleja berylliumia ja magnesiumia lukuun ottamatta (Ca, Sr, Ba). , Ra)
Vuorovaikutuksessa aktiivisten metallien kanssa vedyllä on hapettavia ominaisuuksia, ts. alentaa sen hapetusastetta. Tässä tapauksessa muodostuu alkali- ja maa-alkalimetallien hydridejä, joilla on ionirakenne. Reaktio etenee kuumennettaessa:
On huomattava, että vuorovaikutus aktiivisten metallien kanssa on ainoa tapaus, jossa molekyylivety H2 on hapettava aine.
ei-metallien kanssa
Ei-metalleista vety reagoi vain hiilen, typen, hapen, rikin, seleenin ja halogeenien kanssa!
Hiili tulee ymmärtää grafiittina tai amorfisena hiilenä, koska timantti on erittäin inertti hiilen allotrooppinen muunnos.
Vuorovaikutuksessa ei-metallien kanssa vety voi suorittaa vain pelkistimen tehtävän, eli se voi vain lisätä sen hapetustilaa:
Vedyn vuorovaikutus monimutkaisten aineiden kanssa
metallioksidien kanssa
Vety ei reagoi metallioksidien kanssa, jotka kuuluvat metallien aktiivisuussarjaan aina alumiiniin asti (mukaan lukien), mutta se pystyy kuumennettaessa pelkistämään monia alumiinin oikealla puolella olevia metallioksideja:
ei-metallioksidien kanssa
Ei-metallioksideista vety reagoi kuumennettaessa typen, halogeenien ja hiilen oksidien kanssa. Kaikista vedyn ja ei-metallioksidien vuorovaikutuksista tulee erityisesti huomioida sen reaktio hiilimonoksidin CO kanssa.
CO:n ja H 2:n seoksella on jopa oma nimensä - "synteesikaasu", koska siitä voidaan saada olosuhteista riippuen sellaisia vaadittuja teollisuustuotteita, kuten metanolia, formaldehydiä ja jopa synteettisiä hiilivetyjä:
happojen kanssa
Vety ei reagoi epäorgaanisten happojen kanssa!
Orgaanisista hapoista vety reagoi vain tyydyttymättömien happojen kanssa sekä happojen kanssa, jotka sisältävät vedyn vaikutuksesta pelkistävissä olevia funktionaalisia ryhmiä, erityisesti aldehydi-, keto- tai nitroryhmiä.
suolojen kanssa
Suolojen vesiliuosten tapauksessa niiden vuorovaikutusta vedyn kanssa ei tapahdu. Kuitenkin, kun vetyä johdetaan joidenkin keski- tai matala-aktiivisten metallien kiinteiden suolojen yli, niiden osittainen tai täydellinen pelkistyminen on mahdollista, esimerkiksi:
Halogeenien kemialliset ominaisuudet
Halogeenit ovat ryhmän VIIA kemiallisia alkuaineita (F, Cl, Br, I, At) sekä niiden muodostamia yksinkertaisia aineita. Ellei toisin mainita, tästä eteenpäin halogeenit ymmärretään yksinkertaisina aineina.
Kaikilla halogeeneilla on molekyylirakenne, mikä johtaa näiden aineiden alhaisiin sulamis- ja kiehumispisteisiin. Halogeenimolekyylit ovat kaksiatomisia, ts. niiden kaava voidaan kirjoittaa yleisessä muodossa Hal 2 .
On huomattava, että jodin fyysinen ominaisuus on sen kyky sublimaatio tai toisin sanoen sublimaatio. sublimaatio, he kutsuvat ilmiötä, jossa kiinteässä tilassa oleva aine ei sula kuumennettaessa, vaan ohittaen nestefaasin siirtyy välittömästi kaasumaiseen tilaan.
Minkä tahansa halogeenin atomin ulkoisen energiatason elektronirakenne on muotoa ns 2 np 5, missä n on sen jaksollisen järjestelmän jaksonumero, jossa halogeeni sijaitsee. Kuten näet, halogeeniatomien kahdeksan elektronin ulkokuoresta puuttuu vain yksi elektroni. Tästä on loogista olettaa vapaiden halogeenien pääosin hapettavat ominaisuudet, mikä on myös käytännössä vahvistettu. Kuten tiedät, ei-metallien elektronegatiivisuus laskee liikkuessaan alaryhmässä, ja siksi halogeenien aktiivisuus vähenee sarjassa:
F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2
Halogeenien vuorovaikutus yksinkertaisten aineiden kanssa
Kaikki halogeenit ovat erittäin reaktiivisia ja reagoivat useimpien yksinkertaisten aineiden kanssa. On kuitenkin huomattava, että fluori voi äärimmäisen korkean reaktiivisuuden vuoksi reagoida jopa niiden yksinkertaisten aineiden kanssa, joiden kanssa muut halogeenit eivät pysty reagoimaan. Tällaisia yksinkertaisia aineita ovat happi, hiili (timantti), typpi, platina, kulta ja jotkut jalokaasut (ksenon ja krypton). Nuo. itse asiassa, fluori ei reagoi vain joidenkin jalokaasujen kanssa.
Loput halogeenit, ts. kloori, bromi ja jodi ovat myös vaikuttavia aineita, mutta vähemmän aktiivisia kuin fluori. Ne reagoivat lähes kaikkien yksinkertaisten aineiden kanssa paitsi hapen, typen, hiilen kanssa timantin, platinan, kullan ja jalokaasujen muodossa.
Halogeenien vuorovaikutus ei-metallien kanssa
vety
Kaikki halogeenit reagoivat vedyn kanssa muodostaen vetyhalogenidit yleisellä kaavalla HHal. Samaan aikaan fluorin reaktio vedyn kanssa alkaa spontaanisti jopa pimeässä ja etenee räjähdyksellä yhtälön mukaisesti:
Kloorin reaktio vedyn kanssa voidaan käynnistää voimakkaalla ultraviolettisäteilyllä tai kuumentamalla. Myös räjähdyksen mukana vuotaa:
Bromi ja jodi reagoivat vedyn kanssa vain kuumennettaessa, ja samalla reaktio jodin kanssa on palautuva:
fosfori
Fluorin vuorovaikutus fosforin kanssa johtaa fosforin hapettumiseen korkeimpaan hapetusasteeseen (+5). Tässä tapauksessa fosforipentafluoridin muodostuminen tapahtuu:
Kun kloori ja bromi ovat vuorovaikutuksessa fosforin kanssa, on mahdollista saada fosforihalogenideja sekä hapetustilassa +3 että hapetustilassa +5, mikä riippuu lähtöaineiden suhteista:
Fluorin, kloorin tai nestemäisen bromin ilmakehässä olevan valkoisen fosforin tapauksessa reaktio alkaa spontaanisti.
Fosforin vuorovaikutus jodin kanssa voi johtaa vain fosforitrijodidin muodostumiseen, koska hapetuskyky on huomattavasti pienempi kuin muilla halogeeneilla:
harmaa
Fluori hapettaa rikin korkeimpaan hapetusasteeseen +6, jolloin muodostuu rikkiheksafluoridia:
Kloori ja bromi reagoivat rikin kanssa muodostaen yhdisteitä, jotka sisältävät rikkiä erittäin epätavallisessa hapetustilassa +1 ja +2. Nämä vuorovaikutukset ovat hyvin spesifisiä, eikä näiden vuorovaikutusten yhtälöiden kirjoittaminen ole välttämätöntä kemian kokeen läpäisemiseksi. Siksi seuraavat kolme yhtälöä on annettu ohjeeksi:
Halogeenien vuorovaikutus metallien kanssa
Kuten edellä mainittiin, fluori pystyy reagoimaan kaikkien metallien kanssa, jopa sellaisten inaktiivisten metallien kanssa kuin platina ja kulta:
Loput halogeenit reagoivat kaikkien metallien kanssa paitsi platinaa ja kultaa:
Halogeenien reaktiot monimutkaisten aineiden kanssa
Korvausreaktiot halogeeneilla
Aktiivisemmat halogeenit, ts. joiden kemialliset alkuaineet sijaitsevat korkeammalla jaksollisessa taulukossa, pystyvät syrjäyttämään vähemmän aktiivisia halogeeneja muodostamistaan halogenidivetyhapoista ja metallihalogenideista:
Samoin bromi ja jodi syrjäyttävät rikin sulfidien ja/tai rikkivedyn liuoksista:
Kloori on vahvempi hapetin ja hapettaa rikkivetyä sen vesiliuoksessa ei rikiksi, vaan rikkihapoksi:
Halogeenien vuorovaikutus veden kanssa
Vesi palaa fluorissa sinisellä liekillä reaktioyhtälön mukaisesti:
Bromi ja kloori reagoivat veden kanssa eri tavalla kuin fluori. Jos fluori toimi hapettavana aineena, kloori ja bromi ovat epäsuhtaisia vedessä muodostaen happojen seoksen. Tässä tapauksessa reaktiot ovat palautuvia:
Jodin vuorovaikutus veden kanssa etenee niin merkityksettömästi, että se voidaan jättää huomiotta ja katsoa, ettei reaktio etene ollenkaan.
Halogeenien vuorovaikutus alkaliliuosten kanssa
Fluori toimii vuorovaikutuksessa alkalin vesiliuoksen kanssa jälleen hapettimena:
Kokeen läpäiseminen ei edellytä kykyä kirjoittaa tämä yhtälö. Riittää, kun tietää tosiasia tällaisen vuorovaikutuksen mahdollisuudesta ja fluorin hapettavasta roolista tässä reaktiossa.
Toisin kuin fluori, jäljelle jääneet halogeenit ovat epäsuhtaisia alkaliliuoksissa, eli ne lisäävät ja vähentävät samanaikaisesti hapettumisastettaan. Samanaikaisesti kloorin ja bromin tapauksessa virtaus on lämpötilasta riippuen mahdollista kahteen eri suuntaan. Erityisesti kylmässä reaktiot etenevät seuraavasti:
ja lämmitettynä:
Jodi reagoi alkalien kanssa yksinomaan toisen vaihtoehdon mukaan, ts. jodaatin muodostumisen kanssa, koska hypojodiitti on epävakaa ei vain kuumennettaessa, vaan myös tavallisissa lämpötiloissa ja jopa kylmässä.
VETY, H (lat. hydrogenium; a. vety; n. Wasserstoff; f. vety; ja. hydrogeno), on Mendelejevin jaksollisen alkuainejärjestelmän kemiallinen alkuaine, joka liittyy samanaikaisesti ryhmiin I ja VII, atominumero 1, atomimassa 1, 0079. Luonnollisessa vedyssä on stabiileja isotooppeja - protium (1 H), deuterium (2 H tai D) ja radioaktiivinen - tritium (3 H tai T). Luonnonyhdisteillä keskimääräinen suhde D/Н = (158±2).10 -6 Tasapainopitoisuus 3 Н maan päällä on ~5,10 27 atomia.
Vedyn fysikaaliset ominaisuudet
Englantilainen tiedemies G. Cavendish kuvasi vedyn ensimmäisen kerran vuonna 1766. Normaaleissa olosuhteissa vety on väritön, hajuton ja mauton kaasu. Luonnossa, vapaassa tilassa, se on H2-molekyylien muodossa. H2-molekyylin dissosiaatioenergia on 4,776 eV; vetyatomin ionisaatiopotentiaali on 13,595 eV. Vety on kevyin aine kaikista tunnetuista, lämpötilassa 0 °C ja 0,1 MPa 0,0899 kg / m 3; kiehumispiste - 252,6 °C, sulamispiste - 259,1 °C; kriittiset parametrit: t - 240 ° C, paine 1,28 MPa, tiheys 31,2 kg / m 3. Kaikista kaasuista lämpöä johtavin on 0,174 W / (m.K) 0 °C:ssa ja 1 MPa:ssa, ominaislämpökapasiteetti on 14.208.10 3 J (kg.K).
Vedyn kemialliset ominaisuudet
Nestemäinen vety on erittäin kevyttä (tiheys -253 °C:ssa 70,8 kg / m 3) ja nestemäistä (-253 °C:ssa se on 13,8 cP). Useimmissa yhdisteissä vedyn hapetusaste on +1 (samanlainen kuin alkalimetallit), harvemmin -1 (samanlainen kuin metallihydridit). Normaaliolosuhteissa molekyylivety on inaktiivinen; liukoisuus veteen 20 °C:ssa ja 1 MPa:ssa 0,0182 ml/g; liukenee hyvin metalleihin - Ni, Pt, Pd jne. Muodostaa vettä hapen kanssa lämmön vapautuessa 143,3 MJ / kg (25 °C:ssa ja 0,1 MPa:ssa); 550 °C:ssa ja sitä korkeammassa reaktiossa tapahtuu räjähdys. Vuorovaikutuksessa fluorin ja kloorin kanssa reaktioissa tapahtuu myös räjähdys. Tärkeimmät vetyyhdisteet: H 2 O, ammoniakki NH 3, rikkivety H 2 S, CH 4, metalli- ja halogeenihydridit CaH 2, HBr, Hl sekä orgaaniset yhdisteet C 2 H 4, HCHO, CH 3 OH jne. .
Vety luonnossa
Vety on luonnossa laajalle levinnyt alkuaine, sen pitoisuus on 1 % (massasta). Vedyn päävarasto maapallolla on vesi (11,19 massaprosenttia). Vety on yksi kaikkien luonnollisten orgaanisten yhdisteiden pääkomponenteista. Vapaassa tilassa sitä on vulkaanisissa ja muissa luonnonkaasuissa, in (0,0001 % atomien lukumäärän mukaan). Se muodostaa suurimman osan Auringon, tähtien, tähtienvälisten kaasujen ja kaasusumujen massasta. Sitä esiintyy planeettojen ilmakehissä H 2 , CH 4 , NH 3 , H 2 O , CH, NHOH jne. muodossa. Se on osa Auringon (protonivirrat) ja kosmisten säteiden (elektroni) säteilyä. vuot).
Vedyn saaminen ja käyttö
Vedyn teollisen tuotannon raaka-aineita ovat jalostetut kaasut, kaasutustuotteet jne. Vedyn tärkeimmät tuotantomenetelmät ovat hiilivetyjen reaktio vesihöyryn kanssa, hiilivetyjen epätäydellinen hapetus, oksidikonversio, veden elektrolyysi. Vetyä käytetään ammoniakin, alkoholien, synteettisen bensiinin, kloorivetyhapon valmistukseen, öljytuotteiden vetykäsittelyyn, metallien leikkaamiseen vety-happiliekillä.
Vety on lupaava kaasumainen polttoaine. Deuterium ja tritium ovat löytäneet sovelluksen ydinvoimatekniikassa.
Alkaen tarkastella vedyn kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, on huomattava, että tavallisessa tilassa tämä kemiallinen alkuaine on kaasumaisessa muodossa. Väritön vetykaasu on hajuton ja mauton. Ensimmäistä kertaa tämä kemiallinen alkuaine nimettiin vedyksi, kun tiedemies A. Lavoisier suoritti kokeita vedellä, joiden tulosten mukaan maailman tiede oppi, että vesi on monikomponenttinen neste, joka sisältää vetyä. Tämä tapahtuma tapahtui vuonna 1787, mutta kauan ennen tätä päivämäärää tiedemiehet tunsivat vedyn nimellä "palava kaasu".
Vety luonnossa
Tutkijoiden mukaan vetyä löytyy maankuoresta ja vedestä (noin 11,2 % veden kokonaistilavuudesta). Tämä kaasu on osa monia mineraaleja, joita ihmiskunta on poiminut maapallon suolistosta vuosisatojen ajan. Osittain vedyn ominaisuudet ovat ominaisia öljylle, maakaasuille ja savelle, eläin- ja kasviorganismeille. Mutta puhtaassa muodossaan, toisin sanoen, ei yhdistettynä muihin jaksollisen järjestelmän kemiallisiin elementteihin, tämä kaasu on luonnossa erittäin harvinainen. Tämä kaasu voi karkaa maan pinnalle tulivuorenpurkauksen aikana. Vapaata vetyä on ilmakehässä pieniä määriä.
Vedyn kemialliset ominaisuudet
Koska vedyn kemialliset ominaisuudet eivät ole yhtenäisiä, tämä kemiallinen alkuaine kuuluu sekä Mendeleev-järjestelmän ryhmään I että järjestelmän ryhmään VII. Ensimmäisen ryhmän edustajana vety on itse asiassa alkalimetalli, jonka hapetusaste on +1 useimmissa yhdisteissä, joihin se sisältyy. Sama valenssi on ominaista natriumille ja muille alkalimetalleille. Näiden kemiallisten ominaisuuksien perusteella vetyä pidetään näiden metallien kaltaisena alkuaineena.
Jos puhumme metallihydrideistä, vetyionilla on negatiivinen valenssi - sen hapetustila on -1. Na + H- rakennetaan samalla tavalla kuin Na + Cl-kloridi. Tämä tosiasia on syy siihen, että vety on luokiteltu Mendeleev-järjestelmän ryhmään VII. Vety, joka on molekyylin tilassa, edellyttäen, että se on tavallisessa ympäristössä, on inaktiivinen ja voi yhdistyä vain ei-metallien kanssa, jotka ovat sille aktiivisempia. Tällaisia metalleja ovat fluori, valon läsnä ollessa vety yhdistyy kloorin kanssa. Jos vetyä kuumennetaan, se muuttuu aktiivisemmaksi ja reagoi monien Mendelejevin jaksollisen järjestelmän elementtien kanssa.
Atomivety osoittaa aktiivisempia kemiallisia ominaisuuksia kuin molekyylivety. Happimolekyylit muodostavat vettä - H2 + 1/2O2 = H2O. Kun vety on vuorovaikutuksessa halogeenien kanssa, muodostuu vetyhalogenideja H2 + Cl2 = 2HCl, ja vety tulee tähän reaktioon valon puuttuessa ja riittävän korkeissa negatiivisissa lämpötiloissa - jopa -252 ° C. Vedyn kemialliset ominaisuudet mahdollistavat sen käytön monien metallien pelkistykseen, koska vety imee reagoidessaan happea metallioksideista, esimerkiksi CuO + H2 = Cu + H2O. Vety osallistuu ammoniakin muodostumiseen ja on vuorovaikutuksessa typen kanssa reaktiossa 3H2 + N2 = 2NH3, mutta sillä ehdolla, että käytetään katalyyttiä ja lämpötilaa ja painetta nostetaan.
Energinen reaktio tapahtuu, kun vety on vuorovaikutuksessa rikin kanssa reaktiossa H2 + S = H2S, mikä johtaa rikkivetyä. Vedyn vuorovaikutus telluurin ja seleenin kanssa on hieman vähemmän aktiivista. Jos katalyyttiä ei ole, se reagoi puhtaan hiilen, vedyn kanssa vain sillä ehdolla, että syntyy korkeita lämpötiloja. 2H2 + C (amorfinen) = CH4 (metaani). Vetyaktiivisuusprosessissa joidenkin alkalien ja muiden metallien kanssa saadaan hydridejä, esimerkiksi H2 + 2Li = 2LiH.
Vedyn fysikaaliset ominaisuudet
Vety on erittäin kevyt kemikaali. Ainakin tutkijat väittävät, että tällä hetkellä ei ole olemassa kevyempää ainetta kuin vety. Sen massa on 14,4 kertaa ilmaa kevyempi, tiheys 0,0899 g/l 0°C:ssa. -259,1 ° C:n lämpötiloissa vety pystyy sulamaan - tämä on erittäin kriittinen lämpötila, joka ei ole tyypillistä useimpien kemiallisten yhdisteiden muuttumiselle tilasta toiseen. Vain sellainen alkuaine kuin helium ylittää vedyn fysikaaliset ominaisuudet tässä suhteessa. Vedyn nesteyttäminen on vaikeaa, koska sen kriittinen lämpötila on (-240°C). Vety on eniten lämpöä tuottava kaasu kaikista ihmiskunnan tuntemista. Kaikki edellä kuvatut ominaisuudet ovat vedyn merkittävimpiä fysikaalisia ominaisuuksia, joita ihminen käyttää tiettyihin tarkoituksiin. Nämä ominaisuudet ovat myös tärkeimmät nykyajan tieteelle.
Vetyatomilla on muiden alkuaineiden atomeihin verrattuna yksinkertaisin rakenne: se koostuu yhdestä protonista.
muodostaen atomiytimen ja yhden elektronin, joka sijaitsee ls-radalla. Vetyatomin ainutlaatuisuus piilee siinä, että sen ainoa valenssielektroni on suoraan atomiytimen toimintakentässä, koska muut elektronit eivät suojaa sitä. Tämä antaa sille erityisiä ominaisuuksia. Se voi luovuttaa elektroninsa kemiallisissa reaktioissa muodostaen H + -kationin (kuten alkalimetalliatomit) tai lisätä elektronin kumppanista H-anionin muodostamiseksi (kuten halogeeniatomit). Siksi jaksollisessa järjestelmässä vety sijoitetaan useammin ryhmään IA, joskus ryhmään VIIA, mutta on olemassa muunnelmia taulukoista, joissa vety ei kuulu mihinkään jaksollisen järjestelmän ryhmään.
Vetymolekyyli on kaksiatominen - H2. Vety on kaikista kaasuista kevyin. H2-molekyylin ei-polaarisuuden ja suuren lujuuden vuoksi (E St\u003d 436 kJ / mol) normaaliolosuhteissa vety on aktiivisesti vuorovaikutuksessa vain fluorin kanssa, ja valaistuna myös kloorin ja bromin kanssa. Kuumennettaessa se reagoi monien ei-metallien, kloorin, bromin, hapen, rikin kanssa, jolla on pelkistäviä ominaisuuksia, ja vuorovaikutuksessa alkali- ja maa-alkalimetallien kanssa, se on hapettava aine ja muodostaa näiden metallien hydridejä:
Kaikista organogeeneistä vedyn suhteellinen elektronegatiivisuus on pienin (0E0 = 2,1), joten luonnollisissa yhdisteissä vedyn hapetusaste on aina +1. Kemiallisen termodynamiikan näkökulmasta vety ei voi muodostaa molekyylivetyä (Н 2) eikä hydridi-ionia (Н~) elävissä vettä sisältävissä järjestelmissä. Molekyylivety on normaaleissa olosuhteissa kemiallisesti inaktiivinen ja samalla erittäin haihtuva, minkä vuoksi se ei pysty pidättämään sitä elimistössä ja osallistumaan aineenvaihduntaan. Hydridi-ioni on kemiallisesti erittäin aktiivinen ja on välittömästi vuorovaikutuksessa hyvin pienen vesimäärän kanssa muodostaen molekyylivetyä. Siksi vety kehossa on joko yhdisteiden muodossa muiden organogeenien kanssa tai H + -kationin muodossa.
Vety organogeenisten alkuaineiden kanssa muodostaa vain kovalenttisia sidoksia. Napaisuusasteen mukaan nämä sidokset on järjestetty seuraavassa järjestyksessä:
Tämä sarja on erittäin tärkeä luonnonyhdisteiden kemian kannalta, koska näiden sidosten polariteetti ja niiden polarisoituvuus määräävät ennalta yhdisteiden happamat ominaisuudet, eli dissosioitumisen protonin muodostumiseen.
happamat ominaisuudet. X-H-sidoksen muodostavan elementin luonteesta riippuen erotetaan neljä happotyyppiä:
OH-hapot (karboksyylihapot, fenolit, alkoholit);
SH-hapot (tiolit);
NH-hapot (amidit, imidit, amiinit);
CH-hapot (hiilivedyt ja niiden johdannaiset).
Ottaen huomioon S-H-sidoksen korkea polarisoituvuus, seuraavat happosarjat voidaan koota niiden hajoamiskyvyn mukaan:
Vetykationien pitoisuus vesiympäristössä määrää sen happamuuden, joka ilmaistaan pH-arvolla pH = -lg (kohta 7.5). Useimmissa kehon fysiologisissa ympäristöissä reaktio on lähellä neutraalia (pH = 5,0-7,5), vain mahanesteessä pH = 1,0-2,0. Tämä tarjoaa toisaalta antimikrobisen vaikutuksen, joka tappaa monia ruoan mukana mahalaukkuun tuotuja mikro-organismeja; toisaalta happamalla ympäristöllä on katalyyttinen vaikutus proteiinien, polysakkaridien ja muiden biosubstraattien hydrolyysissä, mikä edistää tarvittavien metaboliittien tuotantoa.
redox-ominaisuudet. Suuren positiivisen varaustiheyden ansiosta vetykationi on melko voimakas hapetin (f° = 0 V), joka hapettaa aktiivisia ja keskiaktiivisia metalleja vuorovaikutuksessa happojen ja veden kanssa:
Elävissä järjestelmissä ei ole tällaisia vahvoja pelkistäviä aineita, ja vetykationien hapetuskyky neutraalissa väliaineessa (pH = 7) pienenee merkittävästi (f° = -0,42 V). Siksi vetykationilla ei ole kehossa hapettavia ominaisuuksia, vaan se osallistuu aktiivisesti redox-reaktioihin, mikä myötävaikuttaa lähtöaineiden muuttumiseen reaktiotuotteiksi:
Kaikissa annetuissa esimerkeissä vetyatomit eivät muuttaneet hapetusastettaan +1.
Pelkistävät ominaisuudet ovat ominaisia molekyyli- ja erityisesti atomivedylle, eli vedylle vapautumishetkellä suoraan reaktioväliaineessa, sekä hydridi-ionille:
Elävissä järjestelmissä ei kuitenkaan ole tällaisia pelkistäviä aineita (H2 tai H-), joten tällaisia reaktioita ei ole. Kirjallisuudesta, myös oppikirjoista, löydetty mielipide, jonka mukaan vety on orgaanisten yhdisteiden pelkistysominaisuuksien kantaja, ei vastaa todellisuutta; siten elävissä järjestelmissä dehydrogenaasikoentsyymin pelkistetty muoto, jossa hiiliatomit vetyatomien sijaan toimivat biosubstraattien pelkistäjänä (luku 9.3.3).
kompleksisia ominaisuuksia. Vetykationissa olevan vapaan atomiorbitaalin ja itse H+-kationin voimakkaan polarisoivan vaikutuksen vuoksi se on aktiivinen kompleksoiva ioni. Joten vesipitoisessa väliaineessa vetykationi muodostaa hydronium-ionin H3O + ja ammoniakin läsnä ollessa ammoniumionin NH4:
Taipumus muodostaa kumppaneita. Erittäin polaaristen О-Н ja N--Н sidosten vetyatomit muodostavat vetysidoksia (luku 3.1). Vetysidoksen vahvuus (10 - 100 kJ/mol) riippuu paikallisten varausten suuruudesta ja vetysidoksen pituudesta, eli sen muodostumiseen osallistuvien elektronegatiivisten alkuaineiden atomien välisestä etäisyydestä. Aminohapoille, hiilihydraateille, proteiineille, nukleiinihapoille on tunnusomaista seuraavat vetysidospituudet, pm:
Vetysidosten ansiosta substraatin ja entsyymin välillä, luonnollisten polymeerien yksittäisten ryhmien välillä syntyy palautuvia molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, jotka määrittävät niiden sekundaariset, tertiaariset ja kvaternaariset rakenteet (kohdat 21.4, 23.4). Vetysidoksella on johtava rooli veden ominaisuuksissa liuottimena ja reagenssina.
Vesi ja sen ominaisuudet. Vesi on vedyn tärkein yhdiste. Kaikki kehon kemialliset reaktiot tapahtuvat vain vesiympäristössä, elämä ilman vettä on mahdotonta. Vettä liuottimena pidettiin kohdassa Sec. 6.1.
Happo-emäsominaisuudet. Vesi reagenssina happo-emäsominaisuuksien kannalta on todellinen amfolyytti (kohta 8.1). Tämä ilmenee sekä suolojen hydrolyysina (luku 8.3.1) että happojen ja emästen dissosioitumisena vesipitoisessa väliaineessa (kohta 8.3.2).
Vesipitoisten väliaineiden happamuuden kvantitatiivinen ominaisuus on pH-arvo.
Vesi happo-emäs-reagenssina osallistuu biosubstraattien hydrolyysireaktioihin. Esimerkiksi adenosiinitrifosfaatin hydrolyysi toimii varastoituneen energian lähteenä elimistölle, tarpeettomien proteiinien entsymaattinen hydrolyysi tuottaa aminohappoja, jotka ovat lähtömateriaalina tarvittavien proteiinien synteesille. Samanaikaisesti H+-kationit tai OH–-anionit ovat happo-emäs-katalyyttejä biosubstraatin hydrolyysireaktioissa (kohdat 21.4, 23.4).
redox-ominaisuudet. Vesimolekyylissä sekä vety että happi ovat stabiileissa hapetustilassa. Siksi vedellä ei ole selkeitä redox-ominaisuuksia. Redox-reaktiot ovat mahdollisia, kun vesi on vuorovaikutuksessa vain erittäin aktiivisten pelkistysaineiden tai erittäin aktiivisten hapettimien kanssa tai olosuhteissa, joissa reagenssit aktivoituvat voimakkaasti.
Vesi voi olla hapettava aine vetykationien vuoksi, kun se on vuorovaikutuksessa vahvojen pelkistysaineiden, kuten alkali- ja maa-alkalimetallien tai niiden hydridien kanssa:
Korkeissa lämpötiloissa veden vuorovaikutus vähemmän aktiivisten pelkistysaineiden kanssa on mahdollista:
Elävissä järjestelmissä niiden vesikomponentti ei koskaan toimi hapettavana aineena, koska tämä johtaisi näiden järjestelmien tuhoutumiseen johtuen molekyylivedyn muodostumisesta ja peruuttamattomasta poistamisesta organismeista.
Vesi voi toimia pelkistimenä happiatomien takia, esimerkiksi kun se on vuorovaikutuksessa sellaisen vahvan hapettimen kuten fluorin kanssa:
Valon vaikutuksesta ja klorofyllin mukana fotosynteesiprosessi etenee kasveissa, jolloin vedestä muodostuu O2:ta (luku 9.3.6):
Sen lisäksi, että vesi ja sen dissosiaatiotuotteet H + ja OH- osallistuvat suoraan hapetus-pelkistysmuutoksiin, se osallistuu väliaineena, joka edistää monien redox-reaktioiden esiintymistä korkean polariteettinsa ( = 79) ja sen muodostamien ionien osallistumisen vuoksi. se lähtöaineiden muuttamisessa lopullisiksi (kohta 9.1).
kompleksisia ominaisuuksia. Koska happiatomissa on kaksi jakamatonta elektroniparia, vesimolekyyli on melko aktiivinen yksihampainen ligandi, joka muodostaa vetykationin kanssa kompleksisen oksonium-ionin H 3 0 + ja melko stabiileja vesikomplekseja metallikationien kanssa vesiliuoksissa. , esimerkiksi [Ca(H20)6]2+, [Fe(H20)6]3+, 2+. Näissä monimutkaisissa ioneissa solmumolekyylit ovat kovalenttisesti sitoutuneet kompleksin muodostaviin aineisiin melko lujasti. Alkalimetallikationit eivät muodosta vesikomplekseja, vaan hydratoituneita kationeja sähköstaattisten voimien vaikutuksesta. Vesimolekyylien viipymäaika näiden kationien hydraatiokuorissa ei ylitä 0,1 s, ja niiden koostumus vesimolekyylien lukumäärän suhteen voi helposti muuttua.
Taipumus muodostaa kumppaneita. Sähköstaattista vuorovaikutusta ja vetysidosten muodostumista edistävän korkean polariteetin ansiosta vesimolekyylit myös puhtaassa vedessä (kohta 6.1) muodostavat molekyylien välisiä assosiaatioita, jotka eroavat rakenteeltaan, molekyylien määrältä ja niiden asettuneesta elinajasta sidosaineissa. , sekä työtovereiden itsensä eliniän. Siten puhdas vesi on avoin monimutkainen dynaaminen järjestelmä. Ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta: radioaktiivinen, ultravioletti- ja lasersäteily, elastiset aallot, lämpötila, paine, sähkö-, magneetti- ja sähkömagneettiset kentät keinotekoisista ja luonnollisista lähteistä (avaruus, aurinko, maa, elävät esineet) - vesi muuttaa rakenteellisia ja informaatioominaisuuksiaan ja sen seurauksena sen biologiset ja fysiologiset toiminnot muuttuvat.
Itseassosioitumisen lisäksi vesimolekyylit hydratoivat ioneja, polaarisia molekyylejä ja makromolekyylejä muodostaen ympärilleen hydraatiokuoria, mikä stabiloi ne liuoksessa ja edistää niiden liukenemista (luku 6.1). Aineet, joiden molekyylit ovat ei-polaarisia ja kooltaan suhteellisen pieniä, voivat liueta vain vähän veteen ja täyttävät yhdyskuntansa tyhjiöt tietyllä rakenteella. Tässä tapauksessa hydrofobisen vuorovaikutuksen seurauksena ei-polaariset molekyylit strukturoivat niitä ympäröivää hydraatiokuorta ja muuttavat siitä rakenteellisen, tavallisesti jäämäisen rakenteen omaavan yhdisteen, jonka sisällä tämä ei-polaarinen molekyyli sijaitsee.
Elävissä organismeissa voidaan erottaa kaksi vesiluokkaa - "sidottu" ja "vapaa", jälkimmäinen ilmeisesti on vain solujen välisessä nesteessä (luku 6.1). Sitoutunut vesi puolestaan jaetaan "strukturoituun" (vahvasti sidottu) ja "destructured" (heikosti sidottu tai löysä) veteen. Todennäköisesti kaikki edellä mainitut ulkoiset tekijät vaikuttavat veden tilaan kehossa muuttaen suhteita: "strukturoitu" / "rakentunut" ja "sidottu" / "vapaa" vesi sekä sen rakenteelliset ja dynaamiset parametrit. Tämä ilmenee kehon fysiologisen tilan muutoksina. On mahdollista, että solunsisäinen vesi käy jatkuvasti läpi pääasiassa proteiinien säätelemiä sykkiviä siirtymiä "strukturoidusta" "rakenteelliseen" tilaan. Nämä siirtymät liittyvät toisiinsa käytettyjen aineenvaihduntatuotteiden (kuonien) poistamiseen solusta ja tarvittavien aineiden imeytymiseen. Nykyajan näkökulmasta vesi on mukana yhden solunsisäisen rakenteen muodostumisessa, jonka ansiosta elämänprosessien järjestys saavutetaan. Siksi A. Szent-Gyorgyin kuvaannollisen ilmaisun mukaan vesi kehossa on "elämän matriisi".
Vesi luonnossa. Vesi on tärkein ja yleisin aine maan päällä. Maapallon pinta on 75 % veden peitossa. Maailman valtameren tilavuus on 1,4 miljardia km 3 . Sama määrä vettä löytyy mineraaleista kiteytysveden muodossa. Ilmakehä sisältää 13 tuhatta km 3 vettä. Samaan aikaan juoma- ja kotitaloustarpeisiin sopivan makean veden varat ovat melko rajalliset (kaikkien makean veden säiliöiden tilavuus on 200 tuhatta km 3). Arkielämässä käytettävä makea vesi sisältää erilaisia epäpuhtauksia 0,05-1 g/l, useimmiten nämä ovat suoloja: bikarbonaatteja, klorideja, sulfaatteja, mukaan lukien liukoiset kalsium- ja magnesiumsuolat, joiden läsnäolo tekee veden kovasta (kohta 14.3). Tällä hetkellä vesivarojen suojelu ja jätevesien käsittely ovat kiireellisimmät ympäristöongelmat.
Tavallisessa vedessä on noin 0,02 % raskasta vettä D2O (D - deuterium). Se kerääntyy tavallisen veden haihtumisen tai elektrolyysin aikana. Raskas vesi on myrkyllistä. Raskasta vettä käytetään veden liikkeen tutkimiseen elävissä organismeissa. Sen avulla havaittiin, että joidenkin kasvien kudoksissa veden liikkumisnopeus saavuttaa 14 m/h, ja ihmisen juoma vesi jakautuu täysin hänen elimiinsä ja kudoksiinsa 2 tunnissa ja poistuu kokonaan kehosta. vasta kahden viikon kuluttua. Elävät organismit sisältävät 50-93 % vettä, joka on välttämätön osallistuja kaikissa elämänprosesseissa. Elämä on mahdotonta ilman vettä. Elinajanodote on 70 vuotta, jolloin ihminen kuluttaa noin 70 tonnia vettä ruoan ja juoman kanssa.
Käytetään laajasti tieteellisessä ja lääketieteellisessä käytännössä tislattu vesi- väritön läpinäkyvä neste, hajuton ja mauton, pH = 5,2-6,8. Tämä on farmakopean mukainen valmiste useiden annosmuotojen valmistukseen.
Injektionesteisiin käytettävä vesi(pyrogeeninen vesi) - myös farmakopean valmiste. Tämä vesi ei sisällä pyrogeenisiä aineita. Pyrogeenit - bakteeriperäiset aineet - bakteerien aineenvaihduntatuotteet tai jätetuotteet, jotka joutuessaan kehoon aiheuttavat vilunväristyksiä, kuumetta, päänsärkyä ja sydän- ja verisuonitoiminnan heikkenemistä. Apyrogeeninen vesi valmistetaan kaksoistislaamalla solmu (bidistilaatti) aseptisissa olosuhteissa ja käytetään 24 tunnin kuluessa.
Osion päätteeksi on tarpeen korostaa vedyn ominaisuuksia biogeenisenä alkuaineena. Elävissä järjestelmissä vedyn hapetusaste on aina +1 ja se esiintyy joko polaarisena kovalenttisena sidoksena muiden biogeenisten alkuaineiden kanssa tai H + -kationina. Vetykationi on happamien ominaisuuksien kantaja ja aktiivinen kompleksinmuodostaja, joka on vuorovaikutuksessa muiden organogeenien atomien vapaiden elektroniparien kanssa. Redox-ominaisuuksien kannalta sitoutuneella vedyllä ei kehon olosuhteissa ole hapettimen tai pelkistimen ominaisuuksia, mutta vetykationi osallistuu aktiivisesti moniin redox-reaktioihin muuttamatta hapetusastettaan, mutta myötävaikuttaa siihen. biosubstraattien muuntamiseen reaktiotuotteiksi. Elektronegatiivisiin alkuaineisiin sitoutunut vety muodostaa vetysidoksia.
