2. • Ūdeņradis (latīņu: hydrogenium) ir periodiskās
tabulas pirmais elements.
• Šo elementu apzīmē ar H un tā atomskaitlis ir 1.
• Normālos apstākļos ūdeņradis ir viegli
uzliesmojoša un bezkrāsaina divatomu gāze bez
smaržas.
• Tās ķīmiskā formula ir H2. Ūdeņraža atommasa ir
1,00794 g/mol.
• Tā ir mazākā atommasa no visiem ķīmiskajiem
elementiem, un tas nozīmē to, ka ūdeņradis ir
vieglākais no visiem elementiem.
3. • Ūdeņradis vienmēr ir vienvērtīgs.
• Savienojumos ūdeņradim parasti ir oksidēšanas
pakāpe +1, taču dažos savienojumos tā var būt
arī -1 (metālu hidrīdos).
• Ūdeņradis ir visizplatītākais elements Visumā.
• Tas sastāda aptuveni 75% no visa Visuma
masas.
• Galvenās secības zvaigznes lielākoties sastāv
tieši no ūdeņraža.
4.
5. Vēsture
• Jau 16. un 17. gadsimtā tika novērota degošas
gāzes izdalīšanās, skābēm reaģējot ar
metāliem.
• 1766. gadā slavenais angļu ķīmiķis un fiziķis
Henrijs Kevendišs pētīja šo gāzi un nosauca to
par "degošo gaisu".
• Sadedzinot no "degošā gaisa" radās ūdens,
taču Kevendišs no tā neizdarīja pareizos
secinājumus, jo bija flogistona teorijas
piekritējs.
6. Vēsture
• Franču ķīmiķis Antuāns Lavuazjē kopā ar
inženieri Žanu Menjē 1783. gadā, izmantojot
speciālus gazometrus, veica ūdens sintēzi.
• Sadalot ūdens tvaiku ar nokaitētu dzelzi, viņš
atkal ieguva ūdeņradi un secināja, ka tas ietilpst
ūdens sastāvā.
• Lavuazjē devis ūdeņradim nosaukumu
hydrogène (grieķu: hydōr — ūdens un genos —
izcelsme). Vairāk vai mazāk analoģisks
nosaukums ūdeņradim ir visās valodās
7. Atrašanās dabā
• Ūdeņradis ir pats izplatītākais elements Visumā, jo
tas sastāda aptuveni trīs ceturtdaļas kosmiskās
vielas.
• Zemes garozā ūdeņraža ir daudz mazāk (0,15% pēc
masas jeb 3% pēc atomu skaita).
• Dabā, jūras līmenī ūdeņradis parasti ir sastopams
savienojumu veidā, lai arī augstākajos atmosfēras
slāņos ir diezgan daudz brīva ūdeņraža, kur tas
veidojas, ūdens molekulām sadaloties UV
starojuma iedarbībā.
• Retumis ūdeņradis sastopams vulkāniskajās gāzēs
un dabas gāzē.
8. Izotopi
• Ūdeņradim ir trīs izotopi, no kuriem visizplatītākais un
stabilākais ir izotops 1H ar atommasu 1 jeb protijs.
• Sastopams arī izotops 2H ar masas skaitli 2, kura kodolā
ir viens protons un viens neitrons - deitērijs (D).
• Dabiskajos ūdeņraža savienojumos deitērija un protija
attiecība ir 1 : 6800 (pēc atomu skaita).
• Ir pazīstams arī izotops 3H ar diviem neitroniem kodolā.
To sauc par tritiju un apzīmē ar simbolu T. Tritijs ir β
radioaktīvs un tā pussabrukšanas periods ir 12,32 gadi.
• Ir iegūti ārkārtīgi nestabili ūdeņraža izotopi ar trim, četriem, pieciem un pat sešiem
neitroniem kodolā. To vidējais dzīves laiks ir apmēram 10-22 - 10-23 sekundes.
9. Bioloģiskā nozīme
• Ūdeņradis pieder pie biogēnajiem elementiem, jo ir
visu organisko vielu neatņemama sastāvdaļa.
• Ūdeņraža saites nosaka dabasvielu sarežģīto
molekulu struktūru un mijiedarbību.
• Ūdeņradis ir ūdens sastāvdaļa, bet bez ūdens nav
iespējama dzīvība.
• Ūdeņraža peroksīda šķīdumu (perhidrolu) izmanto
medicīnā kā dezinficējošu līdzekli.
• Ūdeņraža peroksīds uzskatāms par toksisku vielu,
kas gan ātri sadalās par skābekli un ūdeni.
10. Bioloģiskā nozīme
• Deitērija oksīds jeb smagais ūdens var būt
kaitīgs, uzņemot to lielos daudzumos.
• Kā noskaidrots eksperimentos ar dzīvniekiem
(pelēm un žurkām), tās iet bojā, ja 30 līdz 35%
ķermeņa ūdens aizstāj ar smago ūdeni.
11. Bioloģiskā nozīme
• Lai kaitētu cilvēka veselībai, cilvēkam vajadzētu
izdzert vismaz 5 l smagā ūdens (respektīvi, dzert
to vismaz 4 dienas pēc kārtas).
• Tādēļ tiek uzskatīts, ka smagais ūdens parastos
apstākļos nerada veselības traucējumus.
• Brīvs gāzveida ūdeņradis nav toksisks.
• To retumis izmanto kā iesaiņošanas gāzi pārtikas
iepakojumu piepildīšanai (pārtikas piedeva
E949)
12. Iegūšana
Rūpnieciskās ūdeņraža iegūšanas metodes
• ūdens tvaika katalītiskā konversija ar dažādiem
ogļūdeņražiem (galvenokārt metānu);
• CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (800 °C) ūdens tvaika katalītiskā
konversija ar oglekļa oksīdu;
• CO + H2O ⇄ CO2 + H2 (600 °C) ogļūdeņražu nepilnīga
katalītiska oksidēšana;
• 2CH4 + O2 → 2CO + 4H2 elektrolizējot ūdeni vai sāļu
šķīdumus;
• 2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2 reaģējot ūdens
tvaikiem ar oglekli (koksu) 1000 °C temperatūrā.
• H2O + C → H2 + CO No gāzu maisījumiem ūdeņradi
iegūst, atdzesējot tos līdz pietiekami zemai
temperatūrai.
13. Iegūšana
Ūdeņraža iegūšanas metodes laboratorijā
• iedarbojoties uz metāliem ar atšķaidītām skābēm (parasti
ņem cinku un sālsskābi, sk. arī Kipa aparāts);
• Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑ Parasti nevar lietot slāpekļskābi,
jo, tai reaģējot ar metāliem, ūdeņradis neizdalās. Kalcijam
reaģējot ar ūdeni;
• Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑ hidrolizējot hidrīdus;
• NaH + H2O → NaOH + H2↑ iedarbojoties ar sārmiem uz
cinku vai alumīniju;
• 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na*Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH +
2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑ elektrolizējot sārmu vai skābju
ūdens šķīdumus, pie katoda izdalās ūdeņradis.
• 2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O
14. Jāatceras, ka nekad nedrīkst pārbaudīt iegūtā ūdeņraža tīrību, aizdedzinot to tieši
iegūšanas iekārtas izejā - tas var novest pie bīstamas eksplozijas!
Ar ūdeņradi vispirms jāpiepilda mēģene, turot tās vaļējo galu uz leju, jāaiznes tālāk
no iekārtas un jāaizdedzina. Tīrs ūdeņradis sadeg mierīgi, ar klusu troksni, bet
netīrs, sajaukts ar gaisu - ar svilpienu vai pat nelielu sprādzienu
15. Fiziskās īpašības
• Ūdeņraža divatomu molekulas ir ar ļoti niecīgiem izmēriem
un masu, tādēļ tās ir ļoti kustīgas un ūdeņraža kušanas un
viršanas temperatūras ir stipri zemas (vēl zemākas ir tikai
cēlgāzei hēlijam, kas vispār neveido molekulas).
• H2 molekulas ir visai stabilas (sadalīties atomos sāk tikai
temperatūrā, kas augstāka par 2000 °C) un maz
polarizējamas.
• Ūdeņradis tikpat kā nešķīst ūdenī un organiskos
šķīdinātājos.
• Cietam ūdeņradim ir heksagonāls kristālrežģis.
• Ārkārtīgi liela spiediena (miljonos atmosfēru) iedarbībā
ūdeņradis veido kristālrežģi no protoniem, bet elektroni
kļūst kopīgi (sk. metāliskais ūdeņradis).
16. Ķīmiskās īpašības
• Ūdeņraža atoms ir pats vienkāršākais atoms, taču ūdeņraža
ķīmija nav vienkārša un stipri atšķiras no citu elementu
ķīmijas.
• Galvenā ūdeņraža īpatnība ir tā, ka tam nav elektronu
čaulas starp kodolu un vērtības elektroniem - ūdeņraža
vienīgais valences elektrons atrodas tieši kodola (šajā
gadījumā protona - ūdeņraža pozitīvais jons H+ ir protons)
iedarbības sfērā.
• Tāda īpatnība ir vēl vienīgi hēlijam, taču tas neveido
savienojumus.
• Šī specifika ir pamatā sevišķam ķīmiskās saites veidam, kas
sastopams tikai ūdeņraža savienojumos - ūdeņraža saitei.
17. Ķīmiskās īpašības
• Brīvā veidā protons jeb H+ jons parastajās ķīmiskajās
reakcijās neeksistē (ja arī vienkāršības labad, piemēram,
ūdens vidē norisošu reakciju vienādojumos raksta H+,
īstenībā tas ir hidroksonija jons H3O+).
• Ar oksidēšanas pakāpi +1 ūdeņradis veido tikai kovalentos
savienojumus (pat ar tādu spēcīgu oksidētāju kā fluors).
• Tas var būt kompleksa veidotājs anjonu kompleksos.
•
• Savukārt oksidēšanas pakāpē -1 ūdeņradim iespējami jonu
savienojumi (hidrīdi).
• Tātad ūdeņradis var būt gan oksidētājs, gan reducētājs.
18. Izmantošana
• Ūdeņradi plaši lieto ķīmiskajā rūpniecībā -
hlorūdeņraža, amonjaka, metanola sintēzēm, kā arī
dažādu degvielu un tauku hidrogenēšanai.
• Maisījumā ar CO (sk. ūdens gāze) to lieto kā kurināmo.
• Pēdējā laikā tīru ūdeņradi sāk lietot kā alternatīvo
degvielu autotransportā un kā degvielas piedevu
transporta līdzekļos ar iekšdedzes dzinējiem ar mērķi
samazināt fosilo degvielu patēriņu.
• Ūdeņradim ir liela siltumietilpība un tas sadegot nerada
kaitīgus izmešus (sk. ūdeņraža enerģētika).
19. Izmantošana
• Šķidrs ūdeņradis ir laba raķešdegviela. Ūdeņradis, degot skābeklī,
dod ļoti karstu liesmu (līdz 2600 °C), ar kuras palīdzību var griezt un
metināt grūti kūstošus metālus, kā arī kvarcu un citus materiālus.
• Ūdeņradi lieto arī gāzu hromatogrāfijā katarometrisko un liesmas
jonizācijas detektoru darbināšanai.
•
• Šķidru ūdeņradi izmanto pūslīšu kamerās elementārdaļiņu
reģistrēšanai.
• Agrāk ūdeņradi lietoja gaisa balonu un dirižabļu uzpildīšanā, bet
mūsdienās to aizstāj ar ugunsdrošo hēliju.
• Deitērijam un tritijam ir liela nozīme kodolreakciju realizēšanā
atomenerģētikā un kodolieročos (sk. ūdeņraža bumba).
