წყალბადი(ლათ. Hydrogenium), H, ქიმიური ელემენტი, პირველი სერიული ნომერიმენდელეევის პერიოდულ სისტემაში; ატომური მასა 1.0079. ზე ნორმალური პირობებიწყალბადი არის გაზი; არ აქვს ფერი, სუნი და გემო.
წყალბადის განაწილება ბუნებაში. წყალბადი ფართოდ არის გავრცელებული ბუნებაში, მისი შემცველობა დედამიწის ქერქში (ლითოსფერო და ჰიდროსფერო) არის 1% მასის მიხედვით, ხოლო 16% ატომების რაოდენობის მიხედვით. წყალბადი არის დედამიწაზე ყველაზე გავრცელებული ნივთიერების ნაწილი - წყალი (11,19% წყალბადი მასის მიხედვით), ნაერთებში, რომლებიც ქმნიან ნახშირს, ზეთს, ბუნებრივ აირებს, თიხებს, აგრეთვე ცხოველურ და მცენარეულ ორგანიზმებს (ანუ შემადგენლობაში. ცილები, ნუკლეინის მჟავა, ცხიმები, ნახშირწყლები და ა.შ.). წყალბადი ძალზე იშვიათია თავისუფალ მდგომარეობაში; ის მცირე რაოდენობით გვხვდება ვულკანურ და სხვა ბუნებრივ აირებში. ატმოსფეროში არის თავისუფალი წყალბადის უმნიშვნელო რაოდენობა (0,0001% ატომების რაოდენობის მიხედვით). დედამიწის მახლობლად სივრცეში წყალბადი პროტონების ნაკადის სახით ქმნის დედამიწის შიდა („პროტონს“) რადიაციულ სარტყელს. წყალბადი არის ყველაზე უხვი ელემენტი სივრცეში. პლაზმის სახით, იგი შეადგენს მზისა და ვარსკვლავთა უმეტესობის მასის დაახლოებით ნახევარს, ვარსკვლავთშორისი საშუალო და აირისებრი ნისლეულების გაზების ძირითად ნაწილს. წყალბადი იმყოფება რიგი პლანეტების ატმოსფეროში და კომეტებში თავისუფალი H 2 , მეთანის CH 4 , ამიაკის NH 3 , წყლის H 2 O, რადიკალების სახით, როგორიცაა CH, NH, OH, SiH, PH და ა.შ. წყალბადი პროტონული ნაკადის სახით შედის მზის კორპუსკულურ გამოსხივებაში და კოსმოსურ სხივებში.
იზოტოპები, ატომი და წყალბადის მოლეკულა. ჩვეულებრივი წყალბადი შედგება 2 სტაბილური იზოტოპის ნარევისგან: მსუბუქი წყალბადი, ან პროტიუმი (1 H) და მძიმე წყალბადი, ან დეიტერიუმი (2 H, ან D). ბუნებრივ წყალბადის ნაერთებში, საშუალოდ არის 6800 ატომი 1 H 2 H 1 ატომზე. რადიოაქტიურ იზოტოპს 3 მასის რიცხვით ეწოდება ზემძიმე წყალბადი, ან ტრიტიუმი (3 H, ან T), რბილი β- გამოსხივებით. და ნახევარგამოყოფის პერიოდი T ½ = 12.262 წელი. ბუნებაში ტრიტიუმი წარმოიქმნება, მაგალითად, ატმოსფერული აზოტისგან კოსმოსური სხივების ნეიტრონების მოქმედებით; ის უმნიშვნელოა ატმოსფეროში (წყალბადის ატომების საერთო რაოდენობის 4·10 -15%). მიიღეს უკიდურესად არასტაბილური იზოტოპი 4 H. იზოტოპების 1 H, 2 H, 3 H და 4 H, შესაბამისად 1, 2, 3 და 4 მასობრივი რიცხვები მიუთითებს, რომ პროტიუმის ატომის ბირთვი შეიცავს მხოლოდ ერთ პროტონს, დეიტერიუმს. - ერთი პროტონი და ერთი ნეიტრონი, ტრიტიუმი - ერთი პროტონი და 2 ნეიტრონი, 4 H - ერთი პროტონი და 3 ნეიტრონი. წყალბადის იზოტოპების მასებში დიდი განსხვავება იწვევს მათ ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებში უფრო შესამჩნევ განსხვავებას, ვიდრე სხვა ელემენტების იზოტოპების შემთხვევაში.
წყალბადის ატომს აქვს უმარტივესი სტრუქტურა ყველა სხვა ელემენტის ატომებს შორის: იგი შედგება ბირთვისა და ერთი ელექტრონისაგან. ბირთვის მქონე ელექტრონის შეკვრის ენერგია (იონიზაციის პოტენციალი) არის 13,595 ევ. ნეიტრალური ატომი წყალბადს შეუძლია მეორე ელექტრონის მიმაგრებაც, რაც წარმოქმნის უარყოფით იონს H - ამ შემთხვევაში, მეორე ელექტრონის შეკავშირების ენერგია ნეიტრალურ ატომთან (ელექტრონის აფინურობა) არის 0,78 ევ. კვანტური მექანიკა საშუალებას იძლევა გამოვთვალოთ წყალბადის ატომის ყველა შესაძლო ენერგეტიკული დონე და, შესაბამისად, მივცეთ მისი ატომური სპექტრის სრული ინტერპრეტაცია. წყალბადის ატომი გამოიყენება როგორც მოდელის ატომი სხვა, უფრო რთული ატომების ენერგეტიკული დონის კვანტურ მექანიკურ გამოთვლებში.
წყალბადის მოლეკულა H 2 შედგება ორი ატომისგან, რომლებიც დაკავშირებულია კოვალენტით ქიმიური ბმა. დისოციაციის ენერგია (ანუ ატომებად დაშლა) არის 4,776 ევ. ატომთაშორისი მანძილი ბირთვების წონასწორობის მდგომარეობაში არის 0,7414Å. მაღალ ტემპერატურაზე მოლეკულური წყალბადი იშლება ატომებად (დისოციაციის ხარისხი 2000°C-ზე არის 0,0013; 5000°C-ზე 0,95). ატომური წყალბადი ასევე წარმოიქმნება სხვადასხვა ქიმიურ რეაქციაში (მაგალითად, მარილმჟავაზე Zn-ის მოქმედებით). თუმცა წყალბადის არსებობა ატომურ მდგომარეობაში მხოლოდ გრძელდება მოკლე დრო, ატომები კვლავ გაერთიანებულია H 2 მოლეკულებად.
ფიზიკური თვისებებიწყალბადი. წყალბადი ყველაზე მსუბუქია ყველა ცნობილ ნივთიერებას შორის (14,4-ჯერ მსუბუქია ვიდრე ჰაერი), სიმკვრივე 0,0899 გ/ლ 0°C-ზე და 1 ატმ. წყალბადი ადუღდება (თხევადდება) და დნება (მყარდება) -252,8°C და -259,1°C, შესაბამისად (მხოლოდ ჰელიუმს აქვს დნობის და დუღილის დაბალი წერტილი). წყალბადის კრიტიკული ტემპერატურა ძალიან დაბალია (-240°C), ამიტომ მისი გათხევადება დაკავშირებულია დიდ სირთულეებთან; კრიტიკული წნევა 12,8 კგფ/სმ 2 (12,8 ატმ), კრიტიკული სიმკვრივე 0,0312 გ/სმ 3. წყალბადს აქვს ყველაზე მაღალი თბოგამტარობა ყველა გაზს შორის, ტოლია 0,174 W/(m·K) 0°С-ზე და 1 atm, ანუ 4,16·10 -4 cal/(s·cm·°С). წყალბადის სიმძლავრე 0°C და 1 ატმ C არის 14,208 კჯ/(კგ K), ანუ 3,394 კალ/(გ°C). წყალბადი ოდნავ ხსნადია წყალში (0,0182 მლ / გ 20 ° C და 1 ატმ), მაგრამ კარგად - ბევრ ლითონში (Ni, Pt, Pa და სხვა), განსაკუთრებით პალადიუმში (850 ტომი 1 მოცულობის Pd-ზე). ლითონებში წყალბადის ხსნადობა დაკავშირებულია მათში დიფუზიის უნართან; ნახშირბადის შენადნობის (მაგალითად, ფოლადის) მეშვეობით დიფუზიას ზოგჯერ თან ახლავს შენადნობის განადგურება წყალბადის ნახშირბადთან ურთიერთქმედების გამო (ე.წ. დეკარბონიზაცია). თხევადი წყალბადი არის ძალიან მსუბუქი (სიმკვრივე -253°C 0,0708 გ/სმ3) და თხევადი (სიბლანტე -253°C-ზე 13,8 ცენტიპოისი).
წყალბადის ქიმიური თვისებები. ნაერთების უმეტესობაში წყალბადი ავლენს ვალენტობას (უფრო ზუსტად, ჟანგვის მდგომარეობას) +1, ისევე როგორც ნატრიუმი და სხვა ტუტე ლითონები; ჩვეულებრივ, იგი განიხილება, როგორც ამ ლითონების ანალოგი, მენდელეევის სისტემის I ჯგუფის სათავეში. ამასთან, ლითონის ჰიდრიდებში წყალბადის იონი უარყოფითად არის დამუხტული (დაჟანგვის მდგომარეობა -1), ანუ Na + H - ჰიდრიდი აგებულია Na + Cl - ქლორიდის მსგავსად. ეს და ზოგიერთი სხვა ფაქტი (წყალბადისა და ჰალოგენების ფიზიკური თვისებების სიახლოვე, ჰალოგენების ორგანული ნაერთების წყალბადის ჩანაცვლების უნარი) იძლევა წყალბადის შეყვანის საფუძველს პერიოდული სისტემის VII ჯგუფშიც. ნორმალურ პირობებში, მოლეკულური წყალბადი შედარებით არააქტიურია, პირდაპირ ერწყმის მხოლოდ ყველაზე აქტიურ არამეტალებს (ფტორთან და სინათლეში ასევე ქლორთან). თუმცა, როდესაც თბება, ის რეაგირებს ბევრ ელემენტთან. ატომურ წყალბადს აქვს გაზრდილი ქიმიური აქტივობა მოლეკულურ წყალბადთან შედარებით. წყალბადი აერთიანებს ჟანგბადს და წარმოქმნის წყალს:
H 2 + 1/2 O 2 \u003d H 2 O
285,937 კჯ / მოლი გამოყოფით, ანუ 68,3174 კკალ/მოლ სითბო (25 ° C და 1 ატმ). ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე, რეაქცია მიმდინარეობს უკიდურესად ნელა, 550 ° C-ზე ზემოთ - აფეთქებით. წყალბად-ჟანგბადის ნარევის ფეთქებადი საზღვრებია (მოცულობით) 4-დან 94% H 2-მდე, ხოლო წყალბად-ჰაერის ნარევი - 4-დან 74% H 2-მდე (2 ტომი H 2 და 1 მოცულობა O. 2 ეწოდება ფეთქებადი გაზი). წყალბადი გამოიყენება მრავალი ლითონის შესამცირებლად, რადგან ის ართმევს ჟანგბადს მათი ოქსიდებიდან:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O,
Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O და ა.შ.
ჰალოგენებთან წყალბადი ქმნის წყალბადის ჰალოგენებს, მაგალითად:
H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.
წყალბადი ფეთქდება ფტორთან (თუნდაც სიბნელეში და -252°C-ზე), ქლორთან და ბრომთან რეაგირებს მხოლოდ განათების ან გაცხელებისას, ხოლო იოდთან მხოლოდ გაცხელებისას. წყალბადი რეაგირებს აზოტთან ამიაკის წარმოქმნით:
ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3
მხოლოდ კატალიზატორზე და ამაღლებულ ტემპერატურასა და წნევაზე. გაცხელებისას წყალბადი ენერგიულად რეაგირებს გოგირდთან:
H 2 + S \u003d H 2 S (წყალბადის სულფიდი),
ბევრად უფრო რთულია სელენი და ტელურუმი. თან სუფთა ნახშირბადიწყალბადს შეუძლია რეაგირება კატალიზატორის გარეშე მხოლოდ მაღალ ტემპერატურაზე:
2H 2 + C (ამორფული) = CH 4 (მეთანი).
წყალბადი უშუალოდ რეაგირებს ზოგიერთ ლითონთან (ტუტე, ტუტე დედამიწა და სხვა), წარმოქმნის ჰიდრიდებს:
H 2 + 2Li = 2LiH.
Მნიშვნელოვანი პრაქტიკული ღირებულებააქვთ წყალბადის რეაქციები ნახშირბადის მონოქსიდთან (II), რომელშიც ტემპერატურის, წნევის და კატალიზატორის მიხედვით წარმოიქმნება სხვადასხვა ორგანული ნაერთები, მაგალითად, HCHO, CH 3 OH და სხვა. უჯერი ნახშირწყალბადები რეაგირებს წყალბადთან და ხდება გაჯერებული, მაგალითად:
C n H 2n + H 2 \u003d C n H 2n + 2.
წყალბადის და მისი ნაერთების როლი ქიმიაში განსაკუთრებით დიდია. წყალბადის პირობები მჟავა თვისებებიეგრეთ წოდებული პროტონული მჟავები. წყალბადი მიდრეკილია შექმნას ეგრეთ წოდებული წყალბადური ბმა გარკვეულ ელემენტებთან, რაც გადამწყვეტ გავლენას ახდენს მრავალი ორგანული და არაორგანული ელემენტის თვისებებზე. ორგანული ნაერთები.
წყალბადის მიღება. წყალბადის სამრეწველო წარმოებისთვის ნედლეულის ძირითადი ტიპებია ბუნებრივი აალებადი აირები, კოქსის ღუმელის გაზი და ნავთობგადამამუშავებელი აირები. წყალბადი ასევე მიიღება წყლისგან ელექტროლიზით (იაფად ელექტროენერგიის მქონე ადგილებში). ბუნებრივი აირისგან წყალბადის წარმოების ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდებია ნახშირწყალბადების, ძირითადად მეთანის, კატალიზური ურთიერთქმედება წყლის ორთქლთან (კონვერტაცია):
CH 4 + H 2 O \u003d CO + ZH 2,
და ნახშირწყალბადების არასრული დაჟანგვა ჟანგბადით:
CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO + 2H 2
შედეგად მიღებული ნახშირბადის მონოქსიდი (II) ასევე ექვემდებარება გარდაქმნას:
CO + H 2 O \u003d CO 2 + H 2.
ბუნებრივი აირისგან წარმოებული წყალბადი ყველაზე იაფია.
წყალბადი იზოლირებულია კოქსის ღუმელის გაზიდან და ქარხნის აირებიდან გაზის ნარევიდან დარჩენილი კომპონენტების ამოღებით, რომლებიც უფრო ადვილად თხევადდება ვიდრე წყალბადი ღრმა გაგრილებისას. წყლის ელექტროლიზი ხორციელდება პირდაპირი დენით, გადის მას KOH ან NaOH ხსნარში (მჟავები არ გამოიყენება ფოლადის აღჭურვილობის კოროზიის თავიდან ასაცილებლად). წყალბადი ლაბორატორიებში წარმოიქმნება წყლის ელექტროლიზით, ასევე თუთიასა და მარილმჟავას შორის რეაქციით. თუმცა, უფრო ხშირად ისინი იყენებენ მზა წყალბადს ცილინდრებში.
წყალბადის გამოყენება. IN სამრეწველო მასშტაბიწყალბადის მიღება დაიწყო მე-18 საუკუნის ბოლოს შესავსებად ბუშტები. ამჟამად წყალბადი ფართოდ გამოიყენება ქიმიური მრეწველობაძირითადად ამიაკის წარმოებისთვის. წყალბადის დიდი მომხმარებელია აგრეთვე მეთილის და სხვა სპირტების, სინთეზური ბენზინის და სხვა პროდუქტების წარმოება, რომლებიც მიიღება წყალბადისა და ნახშირბადის მონოქსიდის სინთეზით (II). წყალბადი გამოიყენება მყარი და მძიმე თხევადი საწვავის, ცხიმებისა და სხვათა ჰიდროგენიზაციისთვის, HCl-ის სინთეზისთვის, ნავთობპროდუქტების ჰიდრო დამუშავებისთვის, ჟანგბად-წყალბადის ალით ლითონების შედუღებისა და ჭრისთვის (ტემპერატურა 2800 ° C-მდე) და ატომური წყალბადის შედუღებისას (4000°C-მდე) . წყალბადის იზოტოპებმა, დეიტერიუმმა და ტრიტიუმმა, იპოვეს ძალიან მნიშვნელოვანი გამოყენება ბირთვულ ენერგეტიკაში.
ფენოლები
სტრუქტურა
ორგანული ნაერთების მოლეკულებში ჰიდროქსილის ჯგუფი შეიძლება პირდაპირ დაუკავშირდეს არომატულ ბირთვს, ან შეიძლება მისგან განცალკევდეს ერთი ან მეტი ნახშირბადის ატომით. მოსალოდნელია, რომ აქედან გამომდინარე, ნივთიერებების თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდებიან ერთმანეთისგან ატომების ჯგუფების ურთიერთგავლენის გამო (გაიხსენეთ ბუტლეროვის თეორიის ერთ-ერთი დებულება). მართლაც, ორგანული ნაერთები, რომლებიც შეიცავს არომატულ ფენილ C 6 H 5 - რადიკალს, რომელიც უშუალოდ არის დაკავშირებული ჰიდროქსილის ჯგუფთან, ავლენს განსაკუთრებულ თვისებებს, რომლებიც განსხვავდება ალკოჰოლური სასმელებისგან. ასეთ ნაერთებს ფენოლებს უწოდებენ.
ფენოლები -ორგანული ნივთიერებები, რომელთა მოლეკულები შეიცავს ფენილ რადიკალს, რომელიც დაკავშირებულია ერთ ან მეტ ჰიდროქსილის ჯგუფთან.
სპირტების მსგავსად, ფენოლებიც კლასიფიცირდება ატომურობით, ანუ ჰიდროქსილის ჯგუფების რაოდენობით.მონატომური ფენოლები შეიცავს ერთ ჰიდროქსილის ჯგუფს მოლეკულაში:
არის სხვა პოლიატომები ფენოლებიშეიცავს სამ ან მეტ ჰიდროქსილის ჯგუფს ბენზოლის რგოლში.
მოდით უფრო დეტალურად გავეცნოთ ამ კლასის უმარტივესი წარმომადგენლის - ფენოლ C6H50H-ის სტრუქტურასა და თვისებებს. ამ ნივთიერების სახელმა საფუძველი ჩაუყარა მთელი კლასის სახელს - ფენოლებს.
ფიზიკური თვისებები
მყარი უფერო კრისტალური ნივთიერება, tºpl = 43 °C, tº bp = °C, მკვეთრი დამახასიათებელი სუნით. შხამიანი. ფენოლი ოდნავ იხსნება წყალში ოთახის ტემპერატურაზე. ფენოლის წყალხსნარს კარბოლის მჟავა ეწოდება. ის იწვევს დამწვრობას კანთან შეხებისას, ამიტომ ფენოლს სიფრთხილით უნდა მოექცეთ.
ფენოლის მოლეკულის სტრუქტურა
ფენოლის მოლეკულაში ჰიდროქსილი უშუალოდ უკავშირდება ბენზოლის არომატული ბირთვის ნახშირბადის ატომს.
გავიხსენოთ ატომების ჯგუფების სტრუქტურა, რომლებიც ქმნიან ფენოლის მოლეკულას.
არომატული რგოლი შედგება ექვსი ნახშირბადის ატომისგან, რომლებიც ქმნიან რეგულარულ ექვსკუთხედს ექვსი ნახშირბადის ატომის ელექტრონული ორბიტალების sp 2 ჰიბრიდიზაციის გამო. ეს ატომები დაკავშირებულია z-ბმებით. თითოეული ნახშირბადის ატომის p-ელექტრონები, რომლებიც არ მონაწილეობენ st-ბმების ფორმირებაში, გადახურვაში სხვადასხვა მხარეები z-ბმა თვითმფრინავები, ქმნიან ერთი ექვსელექტრონის ორ ნაწილს პ- ღრუბელი, რომელიც ფარავს ბენზოლის მთელ რგოლს (არომატიული ბირთვი). C6H6 ბენზოლის მოლეკულაში, არომატული ბირთვი არის აბსოლუტურად სიმეტრიული, ერთი ელექტრონული პ-ღრუბელი თანაბრად ფარავს ნახშირბადის ატომების რგოლს მოლეკულის სიბრტყის ქვეშ და ზემოთ (სურ. 24). ჰიდროქსილის რადიკალის ჟანგბადისა და წყალბადის ატომებს შორის კოვალენტური ბმა ძლიერად პოლარულია, საერთო ელექტრონული ღრუბელი. O-N კავშირებიგადაინაცვლა ჟანგბადის ატომისკენ, რომელზეც არის ნაწილობრივი უარყოფითი მუხტი, ხოლო წყალბადის ატომზე - ნაწილობრივი დადებითი მუხტი. გარდა ამისა, ჟანგბადის ატომს ჰიდროქსილის ჯგუფში აქვს ორი გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილი, რომლებიც მხოლოდ მას ეკუთვნის.
ფენოლის მოლეკულაში ჰიდროქსილის რადიკალი ურთიერთქმედებს არომატულ ბირთვთან, ხოლო ჟანგბადის ატომის მარტოხელა ელექტრონული წყვილი ურთიერთქმედებს ბენზოლის რგოლის ერთ TC ღრუბელთან და ქმნის ერთ ელექტრონულ სისტემას. მარტოხელა ელექტრონული წყვილების და r-ბმათა ღრუბლების ასეთ ურთიერთქმედებას კონიუგაცია ეწოდება. ჰიდროქსილის ჯგუფის ჟანგბადის ატომის მარტოხელა ელექტრონული წყვილის კონიუგაციის შედეგად ელექტრონული სისტემაბენზოლის რგოლი, ელექტრონის სიმკვრივე ჟანგბადის ატომზე მცირდება. ეს შემცირება ანაზღაურდება О–Н ბმის უფრო დიდი პოლარიზებით, რაც, თავის მხრივ, იწვევს წყალბადის ატომზე დადებითი მუხტის ზრდას. მაშასადამე, ფენოლის მოლეკულაში ჰიდროქსილის ჯგუფის წყალბადს აქვს „მჟავე“ ხასიათი.
ლოგიკურია ვივარაუდოთ, რომ ბენზოლის რგოლისა და ჰიდროქსილის ჯგუფის ელექტრონების შეერთება გავლენას ახდენს არა მხოლოდ მის თვისებებზე, არამედ ბენზოლის რგოლის რეაქტიულობაზეც.
სინამდვილეში, როგორც გახსოვთ, ჟანგბადის ატომის მარტოხელა წყვილების კონიუგაცია ბენზოლის რგოლის n-ღრუბელთან იწვევს მასში ელექტრონის სიმკვრივის გადანაწილებას. ის მცირდება ნახშირბადის ატომთან, რომელიც ასოცირდება OH ჯგუფთან (ჟანგბადის ატომის ელექტრონული წყვილების გავლენა მოქმედებს) და იზრდება მის მიმდებარე ნახშირბადის ატომებზე (ანუ პოზიციები 2 და 6, ან ორთო პოზიციები). ცხადია, ბენზოლის რგოლის ამ ნახშირბადის ატომებში ელექტრონის სიმკვრივის ზრდა იწვევს მათზე უარყოფითი მუხტის ლოკალიზაციას (კონცენტრაციას). ამ მუხტის გავლენით ხდება ელექტრონის სიმკვრივის შემდგომი გადანაწილება არომატულ ბირთვში - მისი გადაადგილება მე-3 და მე-5 ატომებიდან (.მეტა-პოზიცია) მე-4-მდე (ორთო-პოზიცია). ეს პროცესები შეიძლება გამოიხატოს სქემით:
ამრიგად, ფენოლის მოლეკულაში ჰიდროქსილის რადიკალის არსებობა იწვევს ბენზოლის რგოლის n-ღრუბელის ცვლილებას, ელექტრონის სიმკვრივის ზრდას 2, 4 და 6 ნახშირბადის ატომებზე (ორთო-, დარა-პოზიციები) და ელექტრონის სიმკვრივის შემცირება მე-3 და მე-5 ნახშირბადის ატომებზე (მეტა პოზიციები).
ელექტრონის სიმკვრივის ლოკალიზაცია ორთო და პარა პოზიციებში იწვევს მათ ელექტროფილური ნაწილაკების შეტევის ალბათობას სხვა ნივთიერებებთან ურთიერთობისას.
შესაბამისად, ფენოლის მოლეკულის შემადგენელი რადიკალების გავლენა ორმხრივია და ის განსაზღვრავს მის დამახასიათებელ თვისებებს.
ფენოლის ქიმიური თვისებები
მჟავა თვისებები
როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ფენოლის ჰიდროქსილის ჯგუფის წყალბადის ატომს აქვს მჟავე ხასიათი. ფენოლის მჟავე თვისებები უფრო გამოხატულია, ვიდრე წყლისა და ალკოჰოლის. სპირტებისა და წყლისგან განსხვავებით, ფენოლი რეაგირებს არა მხოლოდ ტუტე ლითონებთან, არამედ ტუტეებთან და წარმოქმნის ფენოლატებს.
თუმცა, ფენოლების მჟავე თვისებები ნაკლებად გამოხატულია, ვიდრე არაორგანული და კარბოქსილის მჟავები. მაგალითად, ფენოლის მჟავე თვისებები დაახლოებით 3000-ჯერ ნაკლებია, ვიდრე ნახშირმჟავას. მაშასადამე, ნახშირორჟანგის ნატრიუმის ფენოლატის წყალხსნარში გადასვლით, შესაძლებელია თავისუფალი ფენოლის იზოლირება:
მარილმჟავას ან გოგირდმჟავას დამატება ნატრიუმის ფენოლატის წყალხსნარში ასევე იწვევს ფენოლის წარმოქმნას.
თვისებრივი რეაქცია ფენოლზე
ფენოლი რეაგირებს რკინა(III) ქლორიდთან და ქმნის ინტენსიურ ფერს მეწამულირთული კავშირი.
ეს რეაქცია შესაძლებელს ხდის მის აღმოჩენას ძალიან მცირე რაოდენობითაც კი. სხვა ფენოლი, რომელიც შეიცავს ერთ ან მეტ ჰიდროქსილის ჯგუფს ბენზოლის რგოლზე, ასევე იძლევა ნათელ ლურჯ-იისფერ შეფერილობას რკინა(III) ქლორიდთან ურთიერთობისას.
ბენზოლის რგოლის რეაქციები
ჰიდროქსილის შემცვლელის არსებობა მნიშვნელოვნად უწყობს ხელს ბენზოლის რგოლში ელექტროფილური ჩანაცვლების რეაქციების მიმდინარეობას.
1. ფენოლის ბრომი. ბენზოლისგან განსხვავებით, ფენოლის ბრომირება არ საჭიროებს კატალიზატორის (რკინის(III) ბრომიდის) დამატებას.
გარდა ამისა, ფენოლთან ურთიერთქმედება მიმდინარეობს შერჩევით (შერჩევით): ბრომის ატომები იგზავნება ორთო და პარა პოზიციებზე, ცვლის იქ მდებარე წყალბადის ატომებს. ჩანაცვლების სელექციურობა აიხსნება ზემოთ განხილული ფენოლის მოლეკულის ელექტრონული სტრუქტურის მახასიათებლებით. ასე რომ, როდესაც ფენოლი რეაგირებს ბრომიან წყალთან, თეთრი ნალექი 2,4,6-ტრიბრომფენოლი.
ეს რეაქცია, ისევე როგორც რეაქცია რკინა(III) ქლორიდთან, ემსახურება ფენოლის ხარისხობრივ გამოვლენას.
2. ფენოლის ნიტრაცია ასევე უფრო ადვილია, ვიდრე ბენზოლის ნიტრაცია. რეაქცია განზავებით აზოტის მჟავამუშაობს ოთახის ტემპერატურაზე. შედეგად, წარმოიქმნება ნიტროფენოლის ორთო- და პარა-იზომერების ნარევი: 
3. ფენოლის არომატული რგოლის ჰიდროგენიზაცია კატალიზატორის თანდასწრებით მარტივია.
4. ფენოლის პოლიკონდენსაცია ალდეჰიდებთან, კერძოდ, ფორმალდეჰიდთან, ხდება რეაქციის პროდუქტების - ფენოლ-ფორმალდეჰიდის ფისების და მყარი პოლიმერების წარმოქმნით.
ფენოლის ურთიერთქმედება ფორმალდეჰიდთან შეიძლება აღწერილი იყოს სქემით: 
თქვენ ალბათ შენიშნეთ, რომ დიმერის მოლეკულაში შენარჩუნებულია წყალბადის „მოძრავი“ ატომები, რაც ნიშნავს, რომ რეაქცია შეიძლება გაგრძელდეს რეაგენტების საკმარისი რაოდენობით.
პოლიკონდენსაციის რეაქცია, ანუ პოლიმერის მოპოვების რეაქცია, რომელიც მიმდინარეობს დაბალი მოლეკულური წონის ქვეპროდუქტის (წყლის) გამოყოფით, შეიძლება გაგრძელდეს შემდგომ (სანამ ერთ-ერთი რეაგენტი მთლიანად არ მოიხმარება) უზარმაზარი მაკრომოლეკულების წარმოქმნით. პროცესი შეიძლება აღწერილი იყოს საერთო განტოლებით: 
ხაზოვანი მოლეკულების ფორმირება ხდება ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე. გაცხელებისას ამ რეაქციის განხორციელება იწვევს იმ ფაქტს, რომ მიღებულ პროდუქტს აქვს განშტოებული სტრუქტურა, ის არის მყარი და წყალში უხსნადი. ხაზოვანი სტრუქტურის ფენოლ-ფორმალდეჰიდის ფისის გაცხელების შედეგად ალდეჰიდის ჭარბი რაოდენობით, მყარი პლასტმასისთან უნიკალური თვისებები. ფენოლ-ფორმალდეჰიდის ფისებზე დაფუძნებული პოლიმერები გამოიყენება ლაქების და საღებავების, პლასტმასის პროდუქტების წარმოებისთვის, რომლებიც მდგრადია გათბობის, გაგრილების, წყლის, ტუტეებისა და მჟავების მიმართ, მათ აქვთ მაღალი დიელექტრიკული თვისებები. ფენოლ-ფორმალდეჰიდის ფისებზე დაფუძნებული პოლიმერებიდან ყველაზე პასუხისმგებელი და მნიშვნელოვანი დეტალებიელექტრომოწყობილობები, ენერგეტიკული დანადგარების და მანქანების ნაწილები, პოლიმერული ბაზა ბეჭდური მიკროსქემის დაფების რადიო მოწყობილობებისთვის.
ფენოლ-ფორმალდეჰიდის ფისებზე დაფუძნებულ ადჰეზივებს შეუძლიათ საიმედოდ დააკავშირონ სხვადასხვა ბუნების ნაწილები, შეინარჩუნონ შემაკავშირებელი სიმტკიცე ძალიან ფართო ტემპერატურულ დიაპაზონში. ასეთი წებო გამოიყენება განათების ნათურების ლითონის ძირის მინის ნათურზე დასამაგრებლად. ახლა თქვენთვის გასაგები გახდა, რატომ არის ფართოდ გავრცელებული ფენოლი და მასზე დაფუძნებული პროდუქტები (სქემა 8).
წყალბადი H არის ყველაზე გავრცელებული ელემენტი სამყაროში (დაახლოებით 75% მასის მიხედვით), დედამიწაზე ის მეცხრე ყველაზე გავრცელებული ელემენტია. ყველაზე მნიშვნელოვანი ბუნებრივი წყალბადის ნაერთია წყალი.
წყალბადი პირველ ადგილზეა პერიოდულ სისტემაში (Z = 1). მას აქვს ატომის უმარტივესი სტრუქტურა: ატომის ბირთვი არის 1 პროტონი, რომელიც გარშემორტყმულია ელექტრონული ღრუბლით, რომელიც შედგება 1 ელექტრონისაგან.
ზოგიერთ პირობებში წყალბადი ავლენს მეტალურ თვისებებს (აჩუქებს ელექტრონს), ზოგიერთში - არამეტალურს (იღებს ელექტრონს).
ბუნებაში გვხვდება წყალბადის იზოტოპები: 1H - პროტიუმი (ბირთვი შედგება ერთი პროტონისგან), 2H - დეიტერიუმი (D - ბირთვი შედგება ერთი პროტონისა და ერთი ნეიტრონისგან), 3H - ტრიტიუმი (T - ბირთვი შედგება ერთი პროტონისაგან და ორისაგან. ნეიტრონები).
მარტივი ნივთიერება წყალბადი
წყალბადის მოლეკულა შედგება ორი ატომისგან, რომლებიც დაკავშირებულია არაპოლარული კოვალენტური ბმით.
ფიზიკური თვისებები.წყალბადი არის უფერო, არატოქსიკური, უსუნო და უგემოვნო აირი. წყალბადის მოლეკულა არ არის პოლარული. მაშასადამე, აირისებრ წყალბადში ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების ძალები მცირეა. ეს გამოიხატება იმაში დაბალი ტემპერატურადუღილის (-252,6 0С) და დნობის (-259,2 0С).
წყალბადი ჰაერზე მსუბუქია, D (ჰაერში) = 0,069; წყალში ოდნავ ხსნადი (2 ტომი H2 იხსნება 100 ტომი H2O). ამიტომ, წყალბადი, როდესაც წარმოებულია ლაბორატორიაში, შეიძლება შეგროვდეს ჰაერის ან წყლის გადაადგილების მეთოდებით.
წყალბადის მიღება
ლაბორატორიაში:
1. განზავებული მჟავების მოქმედება მეტალებზე:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2
2. ურთიერთქმედება ტუტე და შ-ზ ლითონებიწყლით:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3. ჰიდრიდების ჰიდროლიზი: ლითონის ჰიდრიდები ადვილად იშლება წყლის მიერ შესაბამისი ტუტესა და წყალბადის წარმოქმნით:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2
4. ტუტეების მოქმედება თუთიაზე ან ალუმინის ან სილიკონზე:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. წყლის ელექტროლიზი. წყლის ელექტრული გამტარობის გასაზრდელად მას ემატება ელექტროლიტი, მაგალითად, NaOH, H 2 SO 4 ან Na 2 SO 4. კათოდზე წარმოიქმნება წყალბადის 2 მოცულობა, ანოდზე - ჟანგბადის 1 მოცულობა.
2H 2 O → 2H 2 + O 2
წყალბადის სამრეწველო წარმოება
1. მეთანის გადაქცევა ორთქლით, Ni 800 °C (ყველაზე იაფი):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Მთლიანობაში:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. წყლის ორთქლი ცხელი კოქსის მეშვეობით 1000 o C-ზე:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
შედეგად მიღებული ნახშირბადის მონოქსიდი (IV) შეიწოვება წყლით, ამ გზით მიიღება სამრეწველო წყალბადის 50%.
3. მეთანის გაცხელებით 350°C-მდე რკინის ან ნიკელის კატალიზატორის თანდასწრებით:
CH 4 → C + 2H 2
4. KCl ან NaCl წყალხსნარების ელექტროლიზი, როგორც ქვეპროდუქტი:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
წყალბადის ქიმიური თვისებები
- ნაერთებში წყალბადი ყოველთვის ერთვალენტიანია. მას აქვს +1 დაჟანგვის მდგომარეობა, მაგრამ ლითონის ჰიდრიდებში -1.
- წყალბადის მოლეკულა შედგება ორი ატომისგან. მათ შორის კავშირის გაჩენა აიხსნება ელექტრონების გენერალიზებული წყვილის H: H ან H 2 წარმოქმნით.
- ელექტრონების ამ განზოგადების გამო, H 2 მოლეკულა უფრო ენერგიულად სტაბილურია, ვიდრე მისი ცალკეული ატომები. 1 მოლ წყალბადში მოლეკულის ატომებად დასაშლელად საჭიროა 436 კჯ ენერგიის დახარჯვა: H 2 \u003d 2H, ∆H ° \u003d 436 კჯ / მოლი
- ეს ხსნის მოლეკულური წყალბადის შედარებით დაბალ აქტივობას ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე.
- ბევრ არალითონთან ერთად წყალბადი აყალიბებს აირისებრ ნაერთებს, როგორიცაა RN 4, RN 3, RN 2, RN.
1) ჰალოგენებთან ერთად ქმნის წყალბადის ჰალოგენებს:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
ამავდროულად, ის ფეთქდება ფტორთან, ქლორთან და ბრომთან რეაგირებს მხოლოდ განათების ან გაცხელებისას, ხოლო იოდთან მხოლოდ გაცხელებისას.
2) ჟანგბადით:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
სითბოს გათავისუფლებით. ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე რეაქცია ნელა მიმდინარეობს, 550 ° C-ზე ზემოთ - აფეთქებით. 2 მოცულობის H 2 და 1 მოცულობის O 2 ნარევს ფეთქებადი აირი ეწოდება.
3) როდესაც თბება, ის ენერგიულად რეაგირებს გოგირდთან (სელენთან და თელურიუმთან გაცილებით რთულია):
H 2 + S → H 2 S (წყალბადის სულფიდი),
4) აზოტით ამიაკის წარმოქმნით მხოლოდ კატალიზატორზე და ამაღლებულ ტემპერატურასა და წნევაზე:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) ნახშირბადით მაღალ ტემპერატურაზე:
2H 2 + C → CH 4 (მეთანი)
6) აყალიბებს ჰიდრიდებს ტუტე და მიწის ტუტე ლითონებით (წყალბადი არის ჟანგვის აგენტი):
H 2 + 2Li → 2LiH
ლითონის ჰიდრიდებში წყალბადის იონი უარყოფითად არის დამუხტული (დაჟანგვის მდგომარეობა -1), ანუ ჰიდრიდი Na + H - აგებულია ქლორიდის Na + Cl-ის მსგავსად.
რთული ნივთიერებებით:
7) ლითონის ოქსიდებით (გამოიყენება ლითონების აღსადგენად):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) ნახშირბადის მონოქსიდით (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
სინთეზი - აირი (წყალბადის ნარევი და ნახშირბადის მონოქსიდი) დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს, რადგან ტემპერატურის, წნევის და კატალიზატორის მიხედვით წარმოიქმნება სხვადასხვა ორგანული ნაერთები, მაგალითად, HCHO, CH 3 OH და სხვა.
9) უჯერი ნახშირწყალბადები რეაგირებს წყალბადთან, გადაიქცევა გაჯერებულად:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
წყალბადის ქიმიური და ფიზიკური თვისებების გათვალისწინებისას უნდა აღინიშნოს, რომ ჩვეულ მდგომარეობაში ეს ქიმიური ელემენტი აირისებრია. უფერო წყალბადის გაზი უსუნო და უგემოვნოა. პირველად ამ ქიმიურ ელემენტს წყალბადი ეწოდა მას შემდეგ, რაც მეცნიერმა ა. ლავუაზიემ ჩაატარა ექსპერიმენტები წყალზე, რომლის შედეგების მიხედვით მსოფლიო მეცნიერებამ შეიტყო, რომ წყალი მრავალკომპონენტიანი სითხეა, რომელშიც შედის წყალბადი. ეს მოვლენა მოხდა 1787 წელს, მაგრამ ამ თარიღამდე დიდი ხნით ადრე წყალბადი ცნობილი იყო მეცნიერებისთვის "წვადი აირის" სახელით.
წყალბადი ბუნებაში
მეცნიერთა აზრით, წყალბადი გვხვდება დედამიწის ქერქში და წყალში (წყლის მთლიანი მოცულობის დაახლოებით 11,2%). ეს გაზი არის მრავალი მინერალის ნაწილი, რომელსაც კაცობრიობა საუკუნეების განმავლობაში აგროვებდა დედამიწის ნაწლავებიდან. ნაწილობრივ წყალბადის თვისებები დამახასიათებელია ნავთობის, ბუნებრივი აირისა და თიხის, ცხოველური და მცენარეული ორგანიზმებისთვის. მაგრამ შიგნით სუფთა ფორმა, ანუ პერიოდული ცხრილის სხვა ქიმიურ ელემენტებთან შერწყმული, ეს გაზი ბუნებაში ძალზე იშვიათია. ამ გაზს შეუძლია გამოვიდეს დედამიწის ზედაპირზე ვულკანური ამოფრქვევის დროს. თავისუფალი წყალბადი ატმოსფეროში მცირე რაოდენობითაა.
წყალბადის ქიმიური თვისებები
ვინაიდან წყალბადის ქიმიური თვისებები არ არის ერთგვაროვანი, ეს ქიმიური ელემენტი მიეკუთვნება როგორც მენდელეევის სისტემის I ჯგუფს, ასევე სისტემის VII ჯგუფს. როგორც პირველი ჯგუფის წარმომადგენელი, წყალბადი, ფაქტობრივად, არის ტუტე ლითონი, რომელსაც აქვს +1 ჟანგვის მდგომარეობა იმ ნაერთების უმეტესობაში, რომელშიც ის შედის. იგივე ვალენტობა დამახასიათებელია ნატრიუმის და სხვა ტუტე ლითონებისთვის. ამ ქიმიური თვისებების გათვალისწინებით, წყალბადი ითვლება ამ ლითონების მსგავს ელემენტად.
თუ ჩვენ ვსაუბრობთლითონის ჰიდრიდების შესახებ, მაშინ წყალბადის იონს აქვს უარყოფითი ვალენტობა - მისი დაჟანგვის მდგომარეობა არის -1. Na + H- აგებულია ისევე, როგორც Na + Cl- ქლორიდი. ეს ფაქტია მენდელეევის სისტემის VII ჯგუფში წყალბადის მინიჭების მიზეზი. წყალბადი, რომელიც იმყოფება მოლეკულის მდგომარეობაში, იმ პირობით, რომ ის იმყოფება ნორმალური გარემო, არააქტიურია და შეიძლება მხოლოდ მისთვის უფრო აქტიური არალითონებთან შეთავსება. ასეთი ლითონები მოიცავს ფტორს, სინათლის თანდასწრებით წყალბადი აერთიანებს ქლორს. თუ წყალბადი თბება, ის უფრო აქტიური ხდება, რეაგირებს მენდელეევის პერიოდული სისტემის ბევრ ელემენტთან.
ატომური წყალბადი უფრო აქტიურ ქიმიურ თვისებებს ავლენს, ვიდრე მოლეკულური წყალბადი. ჟანგბადის მოლეკულები ქმნიან წყალს - H2 + 1/2O2 = H2O. როდესაც წყალბადი ურთიერთქმედებს ჰალოგენებთან, წარმოიქმნება წყალბადის ჰალოგენები H2 + Cl2 = 2HCl და წყალბადი შედის ამ რეაქციაში სინათლის არარსებობის და საკმარისად დიდი რაოდენობით. უარყოფითი ტემპერატურა– მდე - 252°С. წყალბადის ქიმიური თვისებები შესაძლებელს ხდის მის გამოყენებას მრავალი ლითონის შესამცირებლად, ვინაიდან, რეაგირებისას, წყალბადი შთანთქავს ჟანგბადს ლითონის ოქსიდებიდან, მაგალითად, CuO + H2 = Cu + H2O. წყალბადი მონაწილეობს ამიაკის წარმოქმნაში, ურთიერთქმედებს აზოტთან 3H2 + N2 = 2NH3 რეაქციაში, მაგრამ იმ პირობით, რომ გამოიყენება კატალიზატორი და იზრდება ტემპერატურა და წნევა.
ენერგეტიკული რეაქცია ხდება მაშინ, როდესაც წყალბადი ურთიერთქმედებს გოგირდთან H2 + S = H2S რეაქციაში, რაც იწვევს წყალბადის სულფიდს. წყალბადის ურთიერთქმედება ტელურუმთან და სელენთან ოდნავ ნაკლებად აქტიურია. თუ კატალიზატორი არ არის, მაშინ ის რეაგირებს სუფთა ნახშირბადთან, წყალბადთან მხოლოდ იმ პირობით მაღალი ტემპერატურა. 2H2 + C (ამორფული) = CH4 (მეთანი). ზოგიერთ ტუტეთან და სხვა ლითონებთან წყალბადის აქტივობის პროცესში მიიღება ჰიდრიდები, მაგალითად, H2 + 2Li = 2LiH.
წყალბადის ფიზიკური თვისებები
წყალბადი ძალიან მსუბუქია ქიმიური. ყოველ შემთხვევაში ამას მეცნიერები ამბობენ ამ მომენტშიწყალბადზე მსუბუქი ნივთიერება არ არსებობს. მისი მასა ჰაერზე 14,4-ჯერ მსუბუქია, სიმკვრივე 0°C-ზე 0,0899 გ/ლ. -259,1 ° C ტემპერატურაზე წყალბადს შეუძლია დნობა - ეს არის ძალიან კრიტიკული ტემპერატურა, რომელიც არ არის დამახასიათებელი უმეტესობის ტრანსფორმაციისთვის. ქიმიური ნაერთებიერთი სახელმწიფოდან მეორეში. მხოლოდ ისეთი ელემენტი, როგორიცაა ჰელიუმი, აღემატება წყალბადის ფიზიკურ თვისებებს ამ მხრივ. წყალბადის გათხევადება რთულია, რადგან მისი კრიტიკული ტემპერატურაა (-240°C). წყალბადი არის ყველაზე სითბოს გადამცემი გაზი ყველაფერთან შედარებით, კაცობრიობისთვის ცნობილი. ზემოთ აღწერილი ყველა თვისება წყალბადის ყველაზე მნიშვნელოვანი ფიზიკური თვისებებია, რომელსაც ადამიანი იყენებს კონკრეტული მიზნებისთვის. ასევე, ეს თვისებები ყველაზე აქტუალურია თანამედროვე მეცნიერებისთვის.
პერიოდულ სისტემაში წყალბადი განლაგებულია ელემენტების ორ ჯგუფში, რომლებიც აბსოლუტურად საპირისპიროა მათი თვისებებით. ეს თვისება მას სრულიად უნიკალურს ხდის. წყალბადი არ არის მხოლოდ ელემენტი ან ნივთიერება, არამედ ა შემადგენელი ნაწილიაბევრი რთული ნაერთი, ორგანული და ბიოგენური ელემენტები. ამიტომ, ჩვენ უფრო დეტალურად განვიხილავთ მის თვისებებს და მახასიათებლებს.
აალებადი აირის გამოშვება ლითონებისა და მჟავების ურთიერთქმედების დროს დაფიქსირდა ჯერ კიდევ მე-16 საუკუნეში, ანუ ქიმიის, როგორც მეცნიერების ჩამოყალიბების დროს. ცნობილმა ინგლისელმა მეცნიერმა ჰენრი კავენდიშმა შეისწავლა ნივთიერება 1766 წლიდან და უწოდა მას "წვის ჰაერი". როდესაც იწვის, ეს გაზი წარმოქმნის წყალს. სამწუხაროდ, მეცნიერის ერთგულებამ ფლოგისტონის (ჰიპოთეტური „ჰიპერ წვრილმანი მატერია“) თეორიის დაცვამ ხელი შეუშალა მას სწორი დასკვნები.
ფრანგმა ქიმიკოსმა და ბუნებისმეტყველმა ა.ლავუაზიემ ინჟინერ ჟ. მენიესთან ერთად და სპეციალური გაზომეტრების დახმარებით 1783 წელს ჩაატარა წყლის სინთეზი, შემდეგ კი მისი ანალიზი წყლის ორთქლის წითელ რკინით დაშლით. ამრიგად, მეცნიერებმა შეძლეს სწორი დასკვნების გაკეთება. მათ აღმოაჩინეს, რომ „წვადი ჰაერი“ არა მხოლოდ წყლის ნაწილია, არამედ მისი მიღებაც შესაძლებელია.
1787 წელს ლავუაზიემ ვარაუდობდა, რომ შესწავლილი გაზი იყო მარტივი ნივთიერებადა, შესაბამისად, მიეკუთვნება პირველადი რიცხვს ქიმიური ელემენტები. მან მას წყალბადი უწოდა (საიდან ბერძნული სიტყვები hydor - წყალი + gennao - ვშობ), ანუ "წყლის მშობიარობა".
რუსული სახელწოდება „წყალბადი“ 1824 წელს შემოგვთავაზა ქიმიკოსმა მ.სოლოვიოვმა. წყლის შემადგენლობის განსაზღვრამ დაასრულა „ფლოგისტონის თეორია“. მე-18 და მე-19 საუკუნეების მიჯნაზე აღმოჩნდა, რომ წყალბადის ატომი ძალიან მსუბუქია (სხვა ელემენტების ატომებთან შედარებით) და მისი მასა მიღებულ იქნა ატომური მასების შედარების მთავარ ერთეულად, მიღებული მნიშვნელობის ტოლი 1.
ფიზიკური თვისებები
წყალბადი ყველაზე მსუბუქია მეცნიერებისთვის ცნობილიანივთიერებები (ის ჰაერზე 14,4-ჯერ მსუბუქია), მისი სიმკვრივეა 0,0899 გ/ლ (1 ატმ, 0 °C). ეს მასალა დნება (მყარდება) და ადუღდება (თხევადდება), შესაბამისად -259,1 ° C და -252,8 ° C (მხოლოდ ჰელიუმს აქვს დაბალი დუღილი და დნობა t °).
წყალბადის კრიტიკული ტემპერატურა უკიდურესად დაბალია (-240 °C). ამ მიზეზით, მისი გათხევადება საკმაოდ რთული და ძვირადღირებული პროცესია. ნივთიერების კრიტიკული წნევაა 12,8 კგფ/სმ², ხოლო კრიტიკული სიმკვრივეა 0,0312 გ/სმ³. ყველა გაზს შორის წყალბადს აქვს ყველაზე მაღალი თბოგამტარობა: 1 ატმოსფეროში და 0 ° C ტემპერატურაზე, ის არის 0,174 W / (mxK).
ნივთიერების სპეციფიკური სითბური სიმძლავრე იმავე პირობებში არის 14,208 კჯ / (კგxK) ან 3,394 კალ / (gh ° C). ეს ელემენტი ოდნავ ხსნადია წყალში (დაახლოებით 0,0182 მლ/გ 1 ატმ-ზე და 20 ° C ტემპერატურაზე), მაგრამ კარგად - მეტალების უმეტესობაში (Ni, Pt, Pa და სხვა), განსაკუთრებით პალადიუმში (დაახლოებით 850 ტომი Pd-ის მოცულობაზე). .
ეს უკანასკნელი თვისება დაკავშირებულია მის დიფუზიის უნართან, ხოლო ნახშირბადის შენადნობის (მაგალითად, ფოლადის) მეშვეობით დიფუზიას შეიძლება თან ახლდეს შენადნობის განადგურება წყალბადის ნახშირბადთან ურთიერთქმედების გამო (ამ პროცესს ეწოდება დეკარბონიზაცია). თხევად მდგომარეობაში, ნივთიერება არის ძალიან მსუბუქი (სიმკვრივე - 0,0708 გ / სმ³ t ° \u003d -253 ° C) და თხევადი (სიბლანტე - 13,8 გრადუსი იმავე პირობებში).
ბევრ ნაერთში ეს ელემენტი ავლენს +1 ვალენტობას (დაჟანგვის მდგომარეობას), ნატრიუმის და სხვა ტუტე ლითონების მსგავსი. ჩვეულებრივ განიხილება ამ ლითონების ანალოგად. შესაბამისად, ის ხელმძღვანელობს მენდელეევის სისტემის I ჯგუფს. ლითონის ჰიდრიდებში წყალბადის იონი ავლენს უარყოფით მუხტს (ჟანგვის მდგომარეობა არის -1), ანუ Na + H- აქვს Na + Cl- ქლორიდის მსგავსი სტრუქტურა. ამ და ზოგიერთი სხვა ფაქტის შესაბამისად (ელემენტის „H“ და ჰალოგენების ფიზიკური თვისებების სიახლოვე, ორგანულ ნაერთებში მისი ჰალოგენებით ჩანაცვლების უნარი), წყალბადი მიეკუთვნება მენდელეევის სისტემის VII ჯგუფს.
ნორმალურ პირობებში მოლეკულური წყალბადიაქვს დაბალი აქტივობა, უშუალოდ უკავშირდება მხოლოდ ყველაზე აქტიურ არალითონებს (ფტორთან და ქლორთან, ამ უკანასკნელთან - სინათლეზე). თავის მხრივ, როდესაც თბება, ის ურთიერთქმედებს ბევრ ქიმიურ ელემენტთან.
ატომურ წყალბადს აქვს გაზრდილი ქიმიური აქტივობა (მოლეკულურ წყალბადთან შედარებით). ჟანგბადთან ერთად ის აყალიბებს წყალს ფორმულის მიხედვით:
Н2 + ½О2 = Н2О,
გამოყოფს 285,937 კჯ/მოლ სითბოს ან 68,3174 კკალ/მოლ (25°C, 1 ატმ). ნორმალურ ტემპერატურულ პირობებში რეაქცია საკმაოდ ნელა მიმდინარეობს და t ° >= 550 ° С-ზე ის უკონტროლოა. წყალბადის + ჟანგბადის ნარევის ფეთქებადი ზღვრები მოცულობით არის 4–94% H2, ხოლო წყალბადი + ჰაერი არის 4–74% H2 (ორი მოცულობის H2 და ერთი მოცულობის O2 ნარევს ეწოდება ფეთქებადი აირი).
ეს ელემენტი გამოიყენება მეტალების უმეტესობის შესამცირებლად, რადგან ის იღებს ჟანგბადს ოქსიდებიდან:
Fe₃O4 + 4H2 = 3Fe + 4Н2О,
CuO + H2 = Cu + H2O და ა.შ.
სხვადასხვა ჰალოგენებით წყალბადი აყალიბებს წყალბადის ჰალოგენებს, მაგალითად:
H2 + Cl2 = 2HCl.
ამასთან, ფტორთან ურთიერთობისას წყალბადი ფეთქდება (ეს ასევე ხდება სიბნელეში, -252 ° C ტემპერატურაზე), რეაგირებს ბრომთან და ქლორთან მხოლოდ გაცხელების ან განათებისას, ხოლო იოდთან - მხოლოდ გაცხელებისას. აზოტთან ურთიერთობისას წარმოიქმნება ამიაკი, მაგრამ მხოლოდ კატალიზატორზე ამაღლებული წნევადა ტემპერატურა:
ZN2 + N2 = 2NH3.
გაცხელებისას წყალბადი აქტიურად რეაგირებს გოგირდთან:
H2 + S = H2S (წყალბადის სულფიდი),
და ბევრად უფრო რთული - ტელურუმით ან სელენით. წყალბადი რეაგირებს სუფთა ნახშირბადთან კატალიზატორის გარეშე, მაგრამ მაღალ ტემპერატურაზე:
2H2 + C (ამორფული) = CH4 (მეთანი).
ეს ნივთიერება პირდაპირ რეაგირებს ზოგიერთ ლითონთან (ტუტე, ტუტე დედამიწა და სხვა), წარმოქმნის ჰიდრიდებს, მაგალითად:
Н2 + 2Li = 2LiH.
არცთუ მცირე პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს წყალბადისა და ნახშირბადის მონოქსიდის (II) ურთიერთქმედებას. ამ შემთხვევაში წნევის, ტემპერატურისა და კატალიზატორის მიხედვით წარმოიქმნება სხვადასხვა ორგანული ნაერთები: HCHO, CH3OH და ა.შ. უჯერი ნახშირწყალბადები რეაქციის დროს გადაიქცევა გაჯერებულებად, მაგალითად:
С n Н2 n + Н2 = С n Н2 n ₊2.
წყალბადი და მისი ნაერთები განსაკუთრებულ როლს თამაშობენ ქიმიაში. იგი განსაზღვრავს მჟავე თვისებებს ე.წ. პროტური მჟავები მიდრეკილნი არიან წყალბადის ობლიგაციების წარმოქმნას სხვადასხვა ელემენტებთან, რაც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს მრავალი არაორგანული და ორგანული ნაერთების თვისებებზე.
წყალბადის მიღება
ამისთვის ნედლეულის ძირითადი ტიპები სამრეწველო წარმოებაამ ელემენტს წარმოადგენს ნავთობგადამამუშავებელი აირები, ბუნებრივი წვადი და კოქსის ღუმელის აირები. იგი ასევე მიიღება წყლისგან ელექტროლიზის გზით (ხელმისაწვდომ ელექტროენერგიის მქონე ადგილებში). ბუნებრივი აირის მასალის წარმოების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდია ნახშირწყალბადების, ძირითადად მეთანის, კატალიზური ურთიერთქმედება წყლის ორთქლთან (ე.წ. კონვერტაცია). Მაგალითად:
CH4 + H2O = CO + ZH2.
ნახშირწყალბადების არასრული დაჟანგვა ჟანგბადით:
CH4 + ½O2 \u003d CO + 2H2.
სინთეზირებული ნახშირბადის მონოქსიდი (II) განიცდის გარდაქმნას:
CO + H2O = CO2 + H2.
ბუნებრივი აირისგან წარმოებული წყალბადი ყველაზე იაფია.
წყლის ელექტროლიზისთვის გამოიყენება პირდაპირი დენი, რომელიც გადის NaOH ან KOH ხსნარში (მჟავები არ გამოიყენება მოწყობილობის კოროზიის თავიდან ასაცილებლად). IN ლაბორატორიული პირობებიმასალა მიიღება წყლის ელექტროლიზით ან მარილმჟავასა და თუთიას შორის რეაქციით. თუმცა, უფრო ხშირად გამოიყენება მზა ქარხნული მასალა ცილინდრებში.
გადამამუშავებელი გაზებიდან და კოქსის ღუმელის გაზიდან, ეს ელემენტი იზოლირებულია გაზის ნარევის ყველა სხვა კომპონენტის ამოღებით, რადგან ღრმა გაგრილების დროს ისინი უფრო ადვილად თხევადდება.
ამ მასალის მოპოვება ინდუსტრიულად დაიწყო მე -18 საუკუნის ბოლოს. შემდეგ მას იყენებდნენ ბუშტების შესავსებად. ამ დროისთვის წყალბადი ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში, ძირითადად ქიმიურ მრეწველობაში, ამიაკის წარმოებისთვის.
ნივთიერების მასობრივი მომხმარებლები არიან მეთილის და სხვა სპირტების, სინთეზური ბენზინის და მრავალი სხვა პროდუქტის მწარმოებლები. ისინი მიიღება ნახშირბადის მონოქსიდის (II) და წყალბადის სინთეზით. წყალბადი გამოიყენება მძიმე და მყარი თხევადი საწვავის, ცხიმების და ა.შ. ჰიდროგენიზაციისთვის, HCl-ის სინთეზისთვის, ნავთობპროდუქტების ჰიდროგადამუშავებისთვის, აგრეთვე ლითონების ჭრის/შედუღებისთვის. ბირთვული ენერგიისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი ელემენტებია მისი იზოტოპები - ტრიტიუმი და დეიტერიუმი.
წყალბადის ბიოლოგიური როლი
ცოცხალი ორგანიზმების მასის დაახლოებით 10% (საშუალოდ) ამ ელემენტზე მოდის. ეს არის წყლის ნაწილი და ბუნებრივი ნაერთების ყველაზე მნიშვნელოვანი ჯგუფები, მათ შორის ცილები, ნუკლეინის მჟავები, ლიპიდები, ნახშირწყლები. რას ემსახურება?
ეს მასალა გადამწყვეტ როლს ასრულებს: ცილების სივრცითი სტრუქტურის შენარჩუნებაში (მეოთხეში), ნუკლეინის მჟავების კომპლემენტარობის პრინციპის დანერგვაში (ანუ გენეტიკური ინფორმაციის დანერგვასა და შენახვაში), ზოგადად, მოლეკულურში „აღიარებაში“. დონე.
წყალბადის იონი H+ მონაწილეობს ორგანიზმში მნიშვნელოვან დინამიურ რეაქციებში/პროცესებში. მათ შორის: ბიოლოგიურ დაჟანგვაში, რომელიც უზრუნველყოფს ცოცხალ უჯრედებს ენერგიით, ბიოსინთეზის რეაქციებში, მცენარეებში ფოტოსინთეზში, ბაქტერიების ფოტოსინთეზში და აზოტის ფიქსაციაში, მჟავა-ტუტოვანი ბალანსისა და ჰომეოსტაზის შენარჩუნებაში, მემბრანული ტრანსპორტირების პროცესებში. ნახშირბადთან და ჟანგბადთან ერთად ის ქმნის სიცოცხლის ფენომენების ფუნქციურ და სტრუქტურულ საფუძველს.
სამყაროში ყველაზე უხვი ელემენტია წყალბადი. ვარსკვლავების საკითხში მას აქვს ბირთვების ფორმა - პროტონები და წარმოადგენს თერმობირთვული პროცესების მასალას. მზის მასის თითქმის ნახევარი ასევე შედგება H 2 მოლეკულებისგან. მისი შემცველობა დედამიწის ქერქში 0,15%-ს აღწევს, ატომები კი ნავთობის, ბუნებრივი აირისა და წყლის შემადგენლობაშია. ჟანგბადთან, აზოტთან და ნახშირბადთან ერთად, ეს არის ორგანული ელემენტი, რომელიც დედამიწის ყველა ცოცხალი ორგანიზმის ნაწილია. ჩვენს სტატიაში შევისწავლით წყალბადის ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს, განვსაზღვრავთ მრეწველობაში მისი გამოყენების ძირითად სფეროებს და ბუნებაში მის მნიშვნელობას.
პოზიცია მენდელეევის ქიმიური ელემენტების პერიოდულ სისტემაში
პირველი ელემენტი, რომელიც ხსნის პერიოდულ ცხრილს, არის წყალბადი. მისი ატომური მასა არის 1,0079. მას აქვს ორი სტაბილური (პროტიუმი და დეიტერიუმი) და ერთი რადიოაქტიური იზოტოპი (ტრიტიუმი). ფიზიკური თვისებები განისაზღვრება არალითონის ადგილით ქიმიური ელემენტების ცხრილში. ნორმალურ პირობებში წყალბადი (მისი ფორმულა არის H 2) არის გაზი, რომელიც ჰაერზე თითქმის 15-ჯერ მსუბუქია. ელემენტის ატომის სტრუქტურა უნიკალურია: ის შედგება მხოლოდ ბირთვისა და ერთი ელექტრონისაგან. ნივთიერების მოლეკულა არის დიატომური, მასში არსებული ნაწილაკები დაკავშირებულია კოვალენტური არაპოლარული ბმის გამოყენებით. მისი ენერგეტიკული ინტენსივობა საკმაოდ მაღალია - 431 კჯ. ეს ხსნის ნაერთის დაბალ ქიმიურ აქტივობას ნორმალურ პირობებში. წყალბადის ელექტრონული ფორმულაა: H:H.
ნივთიერებას ასევე აქვს მთელი რიგი თვისებები, რომლებსაც ანალოგი არ გააჩნია სხვა არამეტალებს შორის. განვიხილოთ ზოგიერთი მათგანი.
ხსნადობა და თბოგამტარობა
ლითონები საუკეთესოდ ატარებენ სითბოს, მაგრამ წყალბადი უახლოვდება მათ თბოგამტარობის თვალსაზრისით. ფენომენის ახსნა მდგომარეობს მატერიის მსუბუქი მოლეკულების თერმული მოძრაობის ძალიან მაღალ სიჩქარეში, ამიტომ წყალბადის ატმოსფეროში გაცხელებული ობიექტი 6-ჯერ უფრო სწრაფად გაცივდება, ვიდრე ჰაერში. ნაერთს შეუძლია კარგად დაითხოვოს ლითონებში, მაგალითად, თითქმის 900 ტომი წყალბადი შეიძლება შეიწოვოს ერთი მოცულობის პალადიუმით. ლითონები შეიძლება შევიდნენ H 2-დან ქიმიური რეაქციები, რომელშიც წყალბადის ჟანგვის თვისებები ვლინდება. ამ შემთხვევაში წარმოიქმნება ჰიდრიდები:
2Na + H 2 \u003d 2 NaH.
ამ რეაქციაში ელემენტის ატომები იღებენ ელექტრონებს ლითონის ნაწილაკებიდან და გადაიქცევიან ანიონებად ერთეული უარყოფითი მუხტით. მარტივი ნივთიერება H 2 ამ შემთხვევაში არის ჟანგვის აგენტი, რომელიც ჩვეულებრივ არ არის მისთვის დამახასიათებელი.
წყალბადი, როგორც შემცირების აგენტი
ლითონები და წყალბადი გაერთიანებულია არა მხოლოდ მაღალი თბოგამტარობით, არამედ მათი ატომების ქიმიურ პროცესებში საკუთარი ელექტრონების შემოწირულობის, ანუ დაჟანგვის უნარით. მაგალითად, ძირითადი ოქსიდები რეაგირებენ წყალბადთან. რედოქსის რეაქცია მთავრდება სუფთა ლითონის გამოთავისუფლებით და წყლის მოლეკულების წარმოქმნით:
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.
ნივთიერების ურთიერთქმედება ჟანგბადთან გათბობის დროს ასევე იწვევს წყლის მოლეკულების წარმოქმნას. პროცესი ეგზოთერმულია და თან ახლავს გათავისუფლებას დიდი რიცხვითერმული ენერგია. თუ გაზის ნარევი H 2 და O 2 რეაგირებენ 2: 1 თანაფარდობით, შემდეგ მას უწოდებენ, რადგან ის აფეთქებს აალდება:
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O.
წყალი არის და თამაშობს მნიშვნელოვან როლს დედამიწის ჰიდროსფეროს, კლიმატის და ამინდის ფორმირებაში. ის უზრუნველყოფს ელემენტების მიმოქცევას ბუნებაში, მხარს უჭერს ორგანიზმების - ჩვენი პლანეტის მკვიდრთა ყველა სასიცოცხლო პროცესს.
ურთიერთქმედება არალითონებთან
წყალბადის ყველაზე მნიშვნელოვანი ქიმიური თვისებებია მისი რეაქცია არამეტალურ ელემენტებთან. ზე ნორმალური პირობებიქიმიურად საკმარისად ინერტულია, ამიტომ ნივთიერებას შეუძლია რეაგირება მხოლოდ ჰალოგენებთან, მაგალითად, ფტორთან ან ქლორთან, რომლებიც ყველაზე აქტიურია ყველა არამეტალს შორის. ასე რომ, ფტორისა და წყალბადის ნარევი სიბნელეში ან სიცივეში ფეთქდება, ხოლო ქლორთან ერთად - გაცხელებისას ან სინათლეში. რეაქციის პროდუქტებია წყალბადის ჰალოგენები, წყალხსნარებირომლებიც ცნობილია ფტორის და პერქლორინის მჟავების სახელით. C ურთიერთქმედებს 450-500 გრადუს ტემპერატურაზე, წნევა 30-100 მპა და კატალიზატორის თანდასწრებით:
N₂ + 3H2 ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH3.
წყალბადის განხილული ქიმიური თვისებები აქვს დიდი მნიშვნელობაინდუსტრიისთვის. მაგალითად, შეგიძლიათ მიიღოთ ღირებული ქიმიური პროდუქტი - ამიაკი. იგი წარმოადგენს ნიტრატმჟავას და აზოტოვანი სასუქების წარმოების ძირითად ნედლეულს: შარდოვანას, ამონიუმის ნიტრატს.
ორგანული ნივთიერებები
ნახშირბადსა და წყალბადს შორის იწვევს უმარტივესი ნახშირწყალბადის - მეთანის წარმოებას:
C + 2H 2 = CH 4.
ნივთიერება ბუნებრივი ნივთიერების ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტია და გამოიყენება როგორც საწვავი და ნედლეულის ღირებული სახეობა ორგანული სინთეზის ინდუსტრიისთვის.
ნახშირბადის ნაერთების ქიმიაში ელემენტი შედის ნივთიერებების უზარმაზარ რაოდენობაში: ალკანები, ალკენები, ნახშირწყლები, სპირტები და ა.შ. ცნობილია ორგანული ნაერთების მრავალი რეაქცია H 2 მოლეკულებთან. Მათ აცვიათ საერთო სახელიჰიდროგენიზაცია ან ჰიდროგენიზაცია. ასე რომ, ალდეჰიდები წყალბადით შეიძლება შემცირდეს ალკოჰოლებად, უჯერი ნახშირწყალბადები - ალკანებად. მაგალითად, ეთილენი გარდაიქმნება ეთანად:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს წყალბადის ისეთ ქიმიურ თვისებებს, როგორიცაა, მაგალითად, თხევადი ზეთების: მზესუმზირის, სიმინდის და რაფსის ჰიდროგენიზაცია. მას მივყავართ მყარი ცხიმის - ღორის ქონის წარმოებამდე, რომელიც გამოიყენება გლიცერინის, საპნის, სტეარინის, მყარი მარგარინის წარმოებაში. გაუმჯობესებისთვის გარეგნობადა გემრიელობა კვების პროდუქტიმას ემატება რძე, ცხოველური ცხიმები, შაქარი, ვიტამინები.
ჩვენს სტატიაში შევისწავლეთ წყალბადის თვისებები და გავარკვიეთ მისი როლი ბუნებასა და ადამიანის ცხოვრებაში.