1A grupės nemetalasVandenilis
Galima pateikti daug pavyzdžių, įrodančių vandenilio svarbą chemijos plėtrai. Dž. Daltonas elementų atominių masių matavimo vienetu pasirinko vandenilio atomo masę. Hemfris Deivis (Humphry Davy; 1778-1829) 1810 m. padarė išvadą, kad visose rūgštyse yra vandenilio. Antrojoje knygoje sužinosime, kaip vandenilio atomo sandaros tyrimas padėjo pamatus šiuolaikinei atomų ir molekulių sandaros sampratai. Greta šių “nuopelnų” teorinei chemijai negalima pamiršti vandenilio praktinės naudos, apie kurią kalbėsime šiame poskyryje.
Paplitimas ir gavimas
Vandenilio kiekis atmosferoje labai nedidelis – tik apie 5×10-5 % tūrio; šiek tiek daugiau jo yra viršutiniuose atmosferos sluoksniuose. 2500 km aukštyje, kur atmosfera yra ypatingai reta, aptinkami beveik vien vandenilio atomai. Vandenilis sudaro 90% visos visatos atomų arba 70% jos masės. Pagal junginių skaičių, kuriuose galima aptikti vandenilį, jis lenkia bet kurį kitą elementą.
Vieninę medžiagą H2 galima gauti tik iš nedaugelio junginių. Viena iš vandenilio žaliavų yra labiausiai paplitęs jo junginys – vanduo. Tam, kad išskirtume vandenilį, reikia sumažinti H oksidacijos laipsnį nuo +1 vandenyje H2O iki 0 divandenilyje H2. Šiam tikslui reikalingas tinkamas reduktorius, pavyzdžiui, anglis (koksas arba akmens anglys), anglies monoksidas, angliavandeniliai (metanas):
C(k) + H2O(d) CO(d) + H2(d)
CO(d) + H2O(d) CO2(d) + H2(d)
CH4(d) + H2O(d) CO(d) + 3 H2(d)
Vandenilis, kaip šalutinis produktas, gaunamas perdirbant naftą.
Cheminėse laboratorijose naudojami kitokie vandenilio gavimo būdai. Pramonei jie yra per brangūs. Vieną iš laboratorinių vandenilio gavimo būdų neseniai aptarėme – tai vandens elektrolizė (8.7 pav.). Kitas populiarus būdas – metalo reakcija su rūgštimi, pavyzdžiui:
Zn(k) + 2 H+(aq) Zn2+(aq) + H2(d)
Vandenilio junginiai
Dvinariai vandenilio junginiai, kuriuos jis sudaro vos ne su visais elementais, vadinami hidridais. Hidridus galima suskirstyti į tris grupes: kovalentinius, joninius ir metališkuosius. Kovalentiniais vadinami nemetalų hidridai, daugelis kurių susidaro tiesiogiai reaguojant vieninėms medžiagoms, pavyzdžiui:
H2(d) + Cl2(d) 2 HCl(d)
3 H2(d) + N2(d) 2 NH3(d)
Joniniai hidridai susidaro vandeniliui reaguojant su pačiais aktyviausiais metalais. Paprastai tai būna IA ir IIA grupės metalai. Šiuose junginiuose vandenilis yra sudaręs hidrido joną H- .
2 M(k) + H2(d) 2 MH(k) (čia M – bet kuris IA grupės metalas)
M(k) + H2(d) MH2(k) (čia M – Ca, Sr arba Ba)
Joniniai hidridai audringai reaguoja su vandeniu, susidaro H2(d). Kalcio hidridas CaH2 yra pilkšvos spalvos kieta medžiaga, naudojama meteorologiniams oro balionams pripildyti vandenilio:
CaH2(k) + 2 H2O Ca2+(aq) + 2 OH- (aq) + 2 H2(d)
Metališkuosius hidridus vandenilis sudaro su periodinės elementų lentelės viduryje (B grupėse) esančiais pereinamaisiais elementais. Viena iš būdingų metališkųjų hidridų savybių yra ta, kad daugelis jų yra nestechiometriniai junginiai, t.y. jie neturi tikslios formulės, metalo ir vandenilio molių santykis gali įvairuoti. Šiuose junginiuose vandenilis įsiskverbia į kai kurias metalo kristalo tuštumas ir lieka jose.
Vandenilio naudojimas
Prekyba vandeniliu nėra labai aktyvi. Didžiausi vandenilio vartotojai patys jį gamina ir čia pat suvartoja. Taip yra amoniako gamyklose, kurios suvartoja apie 42% viso pagaminamo vandenilio. Apie 38% vandenilio suvartojama perdirbant naftą. Čia jis gaunamas vienuose gamybos etapuose ir vartojamas kituose, pavyzdžiui, gaminant svarbiausią benzino sudedamąją dalį – izooktaną – iš 2,4,4-trimetil-2-penteno:
CH3 CH3 H H
½ katalizatorius ½ ½ ½
CH3 – C – C = C – CH3 + H2(d) ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ? CH3 – C – C – C – CH3
½ ½ ½ ½ ½ ½
CH3 H CH3 CH3 H CH3
2,4,4-trimetil-2-pentenas 2,4,4-trimetilpentenas, arba izooktanas
Vandenilio prijungimo prie molekulės dvigubojo ar trigubojo ryšio reakcijos vadinamos hidrinimo reakcijomis. Jos vyksta dalyvaujant katalizatoriui. Hidrinimo reakcijomis skystą oleino rūgštį C17H33COOH galima paversti kieta stearino rūgštimi C17H35COOH. Hidrinami aliejai (augalinės kilmės skysti riebalai) virsta kietais, tinkamais margarino gamybai.
Kai kuriose šalyse daug vandenilio suvartojama gaminant benzino pakaitalą metanolį:
katalizatoriusCO(d) + 2 H2(d) CH3OH(d)
Vandenilis yra puikus reduktorius, tinkamas kai kurių metalų rūdoms redukuoti:
850°C WO3(k) + 3 H2(d) W(k) + 3 H2O(d)
Įvairios vandenilio naudojimo sritys išvardytos 8.6 lentelėje.
8.6 lentelė Vandenilio naudojimo sritys
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Sintezei
amoniako NH3
vandenilio chlorido HCl
metanolio CH3OH
Hidrinimui
perdirbant naftą
skystus riebalus paverčiant kietais
Metalų oksidams redukuoti:
geležies, kobalto, nikelio, vario, volframo, molibdeno gamyba
Metalams pjaustyti ir suvirinti vandenilio ir deguonies degikliais
Raketinis kuras
H2(s) ir O2(s)
Kuro elementai
vandenilio ir deguonies jungimosi reakcijos energijos vertimas į elektros energiją
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Vandenilis ir energetika
Senkant iškastinio kuro ištekliams, vandenilis yra viena iš patraukliausių energijos kaupimo ir transportavimo medžiagų. Vandenilis yra didelės energinės vertės kuras, jį deginant neteršiama aplinka. Suskystintas vandenilis yra perspektyvūs degalai. Šių lengvų degalų naudojimas praplėstų viršgarsinių lėktuvų ir kosminių laivų galimybes.
Deja, kol kas nežinomi pigūs vandenilio gavimo ir patikimi saugojimo būdai. Vandenilį galima būtų gaminti elektrolizuojant jūros vandenį, bet tam reikia pigios elektros energijos. Šis būdas būtų tinkamas, jei pavyktų sukurti termobranduolines elektrines.
Vandenilis susidaro termiškai skaidant vandenį, tačiau net 2000°C temperatūroje skyla tik apie 1% vandens. Pasinaudojus termodinamikos dėsniais šią kliūtį galima būtų apeiti. Virsmą, kurį sunku atlikti tiesiogiai, galima atlikti aplinkinėmis reakcijomis. Svarbu tik, kad kiekviena iš tų reakcijų vyktų nelabai aukštoje temperatūroje, o sudėję visų reakcijų lygtis turėtume gauti vandens skilimo lygtį: 2 H2O(s) 2 H2(d) + O2(d). Mokslininkai gvildena klausimą, kaip būtų galima suskaidyti vandenį fotocheminiu būdu, t.y. naudojant saulės šviesą.
Jau dabar yra sukurtas elektrocheminis įrenginys, vadinamasis kuro elementas, kuriame vyksta vandenilio ir deguonies jungimosi reakcija, o atsipalaiduojanti energija iš karto paverčiama elektros energija, o ne šiluma. Tokių įrenginių efektyvumas yra daug didesnis, nei tradicinių elektros gamybos būdų. Kuro elementai jau dabar naudojami kosminiuose laivuose. Plačiau apie kuro elementus kalbėsime antrojoje knygoje.
Ne menkesnė yra vandenilio saugojimo problema. Dujiniam vandeniliui laikyti reikia labai didelių indų, o jį suskystinti sunku. Vandenilis užverda – 253°C temperatūroje, vadinasi, indus su skystu vandeniliu reikia labai atšaldyti. Reikia nepamiršti dar ir to, kad vandenilis su deguonimi ir oru sudaro sprogiuosius mišinius. Kai kurie mokslininkai siūlo ištirpinti vandenilį metaluose arba jų lydiniuose, pavyzdžiui, geležies ir titano lydinyje, o po to išskirti silpnai pašildžius. Ateities automobilyje vietoj benzino bako galėtų būti vandenilį sugeriančio metalo luitas. Vandenilio išskyrimui būtų panaudojama išmetamųjų dujų šiluma.
Jeigu pavyktų išspręsti visas paminėtas problemas, vandenilis galėtų pakeisti būstui apšildyti naudojamas gamtines dujas, metalurgijoje – akmens anglį ir koksą. Be abejo, kaip dabar, taip ir ateityje milžiniški vandenilio kiekiai būtų naudojami amoniakui sintetinti. Sukūrus ekonomiškai naudingus vandenilio gavimo būdus, žmonijos gyvenimas stipriai pasikeistų, prasidėtų vandenilio amžius.