Сутегі

Сутегі, немесе сутек (лат. hydrogenium; H) — элементтердің периодтық жүйесінің I тобындағы химиялық элемент, атомдық нөмірі 1, атомдық молекуласы 1,00797.

1 Сутегі → Гелий H ↓ Li Периодическая система элементов 1H
Жай заттың сыртқы бейнесі
Түсі, иісі және дәмі жоқ Газ Разрядты түтіктегі сутегі
Атом қасиеті
Атауы, символ, нөмірі	Сутегі, 1
Топ типі	Бейметалдар
Топ, период, блок	1, 1, s
Атомдық масса (молярлық масса)	[1,008 - 1,00811] м. а. б. (г/моль)
Электрондық конфигурация	1s1
Атом радиусы	53 пм
Химиялық қасиеттері
Ковалентті радиус	32 пм
Ван-дер-Ваальс радиусы	120 пм пм
Ион радиусы	54 (−1 e) пм
Электртерістілігі	2,20 (Полинг шкаласы)
Тотығу дәрежелері	+1, 0, −1
Иондалу энергиясы (бірінші электрон)	1311,3 (13,595) кДж/моль (эВ)
Жай заттың термодинамикалық қасиеттері
Тығыздық (қ.ж.)	0,0000899 (273 K (0 °C) кезінде) г/см³
Балқу температурасы	14,01 K; −259,14 °C
Қайнау температурасы	20,28 K; −252,87 °C
Үштік межел	13.96 К (-259°C), 7.205 кПа
Сыни межелі	32,24 К, 1,30 МПа
Балқу жылуы	0,117 кДж/моль
Булану жылуы	0,904 кДж/моль
Молярлық жылусыйымдылық	28,47 Дж/(K·моль)
Молярлық көлем	22,4×103 см³/моль
Қаныққан бу қысымы P (Па) 1 10 100 1000 10 000 100 000 T (К) 15 20
Жай заттың кристаллдық торы
Тор құрылымы	гексоналдық
Тор параметрлері	a = 3,780 c = 6,167 Å
c/a қатынас	1,631
Дебай температурасы	110 K
Басқа да қасиеттері
Жылуөткізгіштік	(300 K) 0,1815 Вт/(м·К)

Ашылу тарихы

Сутекті алғаш Генри Кавендиш зерттеп, оны «жанғыш ауа» деп атаған (1766). А. Лавуазье сутектің қасиеттерін зерттеп, химиялық элементтер тізіміне қосыпты (1787).

Сутекті алғаш рет мырышпен тұз және күкірт қышқылын әрекеттестіру арқылы 1776 жылы Генри Кавендиш алған. Ол оған «жанғыш ауа» деген ат берген, себебі ол жай заттардың арасындағы өте жанғыш газ. Ал 1783 жылы А. Лавуазье мен Ж. Менье суды термиялық айырып, ол оттек және сутек элементтерінен тұратынын анықтаған, казіргі колданылып жүрген атауын (Hydrogenium – су тудырушы) француз ғалымы А. Штон де Морво берген (1787 жылы). Оның орысша да, қазақша да аттары осы мағынаны білдіреді. Орысша «водород» терминін орыс химигі М.Ф.Соловьев ұсынды (өз тілінде, 1824).

Кездесуі

Бұл табиғатта таралуы бойынша 9-шы орында тұрған элемент, оның үлесіне жер қыртысының 1,4%-ы тиеді, жер бетінде сутек байланысқан күйде (су, мұнай, тас көмір, т. б.), ал ғарышта 63%-ы болады.

Табиғатта тұрақты екі изотопы ¹Н (протий) және ²Н (дейтерий) кездеседі, жасанды жолмен радиоактивті изотопы ³Н (тритий) мен өте тұрақсыз ⁴Н алынған. Сутек - әлемде көп тараған элемент. Массасы бойынша атмосферадағы сутектің мөлшері 3,5 *10 -6% литосфера мен гидросферада – 1% , суда – 11,9%.

Қасиеттері

Сутек иіссіз, ең жеңіл газ, суда ерімейді, палладий, платина, никель, т.б. металдарда жақсы сіңіреді; балқу t - 259,1 °C, қайнау t – 252,6 °C. Сутектің молекуласы екі атомнан тұрады (Н₂), диссоциациялану дәрежесі 35000С-та 20%, ал 50000С-та 96%-ға тең. Тотығу дәрежелері +1,-1.

Күшті тотықсыздандырғыш болғандықан Асыл (инертті) газдар мен асыл металдардан басқа элементтердің көпшілігімен химиялық қосылыстар түзеді.

• F₂ –мен (қараңғыда - 2520С-та),
• Cl₂-мен (жарықта) ,
• O₂-мен ( 550 °C –тан жоғары) әрекеттесіп тікелей қосылыстар (HF, HCl, H₂O) түзеді. Сутекті көптеген металдардың (Cu, Fe, W, Re, т.б.) оксидтерімен тотықсыздандырады.

Мысалы:

CuO +H₂ =Cu + H₂O және Fe₃O₄ +4H₂ =3Fe+ + 4H₂O, т.б.

Сутек азотпен әрекеттесіп,

• аммиак (N₂+3H₂=2NH₃ ),
• күкіртпен күкіртсутек ( Н₂+S=H₂O ),
• көміртекпен жоғары температурада метан (C+2H₂=CH₄) түзеді.

Сілтілік және сілтілік жер металдармен әрекеттесіп гидридтер (LiH, NaH, CaH₂, BaH₂,т.б.) түзеді. Сутектің аса маңызды реакциясына CO-мен әрекеттесіп, температура, қысым, катализатор әсеріне байланысына әр түрлі органикалық қосылыстар (HCHO, CH₃OH т.б.) түзу жатады.

Физикалық қасиеттері

Сутек элементінен тұратын жай зат — сутегі, ол екі атомнан тұрады, формуласы Н₂; М(Н₂)=2, М=2 г/моль. Бұл түссіз, иіссіз, дәмсіз, өте жеңіл (р=0,09 г/л) газ күйіндегі бейметалл, оның қайнау (-252,76°С) және балқу (-259,2°С) температурасы өте төмен. Суда нашар ериді (100 көлем суда 2 көлем газ (t=20°С).

Сутегінің химиялық қасиеттері

Кәдімгі жағдайда сутегі тұрақты зат, ал қыздырғанда кейбір жай заттармен реакцияға түседі. Сутегі оттегінде көзге көрінбейтін жалынмен су түзе жанады. Бұл үдеріс баяу жүреді.

2Н₂+ 0₂ = 2Н₂0 + 572кДж

Жай заттардан күрделі зат олардың тікелей әрекеттесуі аркылы алынса синтез деп аталады.

Бұл реакцияны жүргізу үшін калың қабырғалы сынауық алып, оны үшке бөліп сыртынан белгілеп алып, 1 бөлік О₂, жәнө 2 бөлік Н₂ жинап аламыз да (суды ығыстыру арқылы) оны орамалмен ораймыз. Сынауықтың аузына жанған шырпы апарғанда қопарылыс бере реакция жүреді. Сутегі оттегімен шабытты әрекеттеседі, нәтижесінде су түзіліп, жылу бөлінеді.

V(Н₂): V(0₂) = 2 : 1 болғанда ғана олар қопарылыс береді, сондықтан осындай қатынаста алынған газ қоспасын «күркіреуік газ» деп атайды. Сутегі хлормен реакцияласқанда өткір иісті хлорлы сутек газын береді.

Н₂ + Сl₂ = 2HCl↑.

Қыздырылған күкірт арқылы сутегін өткізсек, жағымсыз иісті күкіртті сутек газы түзіледі:

Н₂+ S H₂S↑

Бейметалдардың сутекпен қосылыстарын атау үшін сутекті қосылыс түзуші, элемент атына ды, ді, ты, ті, лы, лі жалғаулары жалғанып, сутек сөзі қосылып оқылады.

Мысалы: HCl - хлорлы сутек; НВr - бромды сутек; H₂S - күкіртті сутек; НҒ - фторлы сутек.

Кейбір бейметалдардың сутекті қосылыстарының тарихи қалыптасқан атаулары бар:

• Н₂0 - су;
• NH₃ - аммиак;
• СН₄ - метан;
• РН₃ - фосфин;
• SiH₄ - силан.

Сутегі өте белсенді металдармен әрекеттескенде гидридтер деп аталатын тұз төрізді қатты заттар түзіледі:

H₂+2Na=2NaH натрий гидриді

Н₂+Са=СаН₂ кальций гидриді

Сутектің металдармен қосылыстарын атау үшін металл атына гидриді деген сөз қосылып оқылады.

Күрделі заттарменәрекеттесуі: Егер мыс (II) оксидін қыздырып, оған сутегін жіберсек мыс оксидінің қара түсі жойылып қызыл түсті мыс бөлінеді:

CuO + Н₂ = Н₂О+Cu

Бұл реакцияда тотықсыздану үдерісі жүреді, өйткені сутек мыс (II) оксидіндегі оттекті өзіне қосып алады, сөйтіп сутек тотығады, ал мыс тотықсызданады.

Қолданылуы

Өнеркәсіпте сутек метанда конвергенциялау ($CH_{4}+H_{2}O=3H_{2}+CO$) несмесе суды электролиздеу ($2H_{2}O=2H_{2}+O_{2}$) арқылы ашылады. Мұнай және химия өнеркәсібінде қосымша өнім ретінде сутек бөлінеді. Лабараторияда сутекті сұйытылған тұз ($HCl$) немесе күкірт (H₂SО₄) қышқылдарына мырышпен әсер етіп алады. Дүние жүзінде жылына шамамен 350*109 тонна сутек өндіріледі. Сутек, аммиак, тұз қышқылы, жасанды сұйық отын алуда, майларды гидрогенезациялауда, металдарды сутек-оттек жалынында кесуде, мұнай фракцияларын гидротазалау мен гидрокрекингісінде, тағыда басқа қолданылады. Атом энергетикасында изотоптары маңызды орын алады. Сутекті экологиялық таза орын ретінде қолданудын болашағы зор ($2H_{2}+O_{2}=2H_{2}O$).

Сутектің қолданылуы, оның жанғанда көп жылу бөлінетіндігіне негізделген. Әсіресе экологиялық таза отын ретінде сутектің болашағы зор. Себебі сутек жанғанда түзілетін өнім – су ауаны ластамайды. Әзірше сутекті көп мөлшерде метан мен судан алу қымбатқа түседі. Сутектің тиімдіракета отыны болатыны туралы кезінде Ц.Е.Циолковский де айтқан. Қазіргі кездегі негізгі энергия көзі – табиғи газ , мұнай, таскөмір. Жер қыртысындағы олардың қоры да шектеулі. Оның үстіне бұл аталған шикізаттарды пайдалануды сыртқы ортаның ластануына жол беріледі.

Сутектің өндірілуі

Дүние жүзінде жылына шамамен 350*109 тонна сутек өндіріледі. Сутек, аммиак, тұз қышқылы, жасанды сұйық отын алуда, майларды гидрогенезациялауда, металдарды сутек - оттек жалынында кесуде, мұнай фракцияларын гидротазалау мен гидрокрекингісінде, т.б. қолданылады. Атом энергетикасында изотоптары маңызды орын алады. Сутекті экологиялық таза орын ретінде қолданудын болашағы зор. Сутектің қолданылуы, оның жанғанда көп жылу бөлінетіндігіне негізделген. Әсіресе экологиялық таза отын ретінде сутектің болашағы зор. Себебі сутек жанғанда түзілетін өнім – су ауаны ластамайды. Әзірше сутекті көп мөлшерде метан мен судан алу қымбатқа түседі. Сутектің тиімдіракета отыны болатыны туралы кезінде Ц.Е.Циолковский де айтқан. Қазіргі кездегі негізгі энергия көзі – табиғи газ, мұнай, таскөмір. Жер қыртысындағы олардың қоры да шектеулі. Сутектің жерде кездесетін ең мол көзі - су, сондықтан оны өндірісте суды тұрақты электр тогының көмегімен айыру арқылы алады: 2Н2O = 2Н2↑ +02 ↑

Сутегінің алынуы

Сутектің жерде кездесетін ең мол көзі - су, $\omega (H)={\frac {M(H)\cdot 100}{M(H_{2}O)}}={\frac {2\cdot 100}{18}}=11\%$ сондықтан оны өндірісте суды тұракты электр тогының көмеимен айыру арқылы алады: 2Н₂O = 2Н₂↑ +0₂ ↑ бұл реакцияны алғаш рет А. Лавузье мен Ж. Менье қыздыру арқылы іске асырған (жоғары бағытталған бағдарша заттың үшқыштығын көрсетеді).

Сутегіні ендірістік мақсатта алудың басқа да тәсілдері бар.

Ал зертханаларда белсенді металдын, (Zn, Mg) қышқылдармен әрекеттесу реакциясы арқылы алады. Көп жағдайда мырышты пайдаланады. $Zn+2HCl=ZnCl_{2}+H_{2}$↑

Бұл реакцияны жүргізу үшін газ өтетін түтігі бар сынауыққа 2-3 түйір мырыш салып, үстіне сұйытылған тұз немесе күкірт (H₂S0₄) қышкылын құямыз. Сонда металл бетінен газ көпіршіктері (Н₂) көтеріле бастайды. Бөлінген сутегін судың астында жинауға болады, өйткені сутегі суда нашар ериді немесе ауаны ығыстыру арқылы жинауға болады. Сутегіні жинайтын ыдыс төңкеріліп ұсталуы тиіс. Себебі сутегі ауадан 14,5 есе жеңіл. ${\mathsf {D}}={\frac {M}{M(H_{2})}}={\frac {29}{2}}=14,5$ Енді осы тәжірибені күкірт қышқылымен жүргізейік: $Zn+H_{2}SO_{4}=ZnSO_{4}+H_{2}$↑ Бұл реакцияларда белсенді металл қышқыл құрамындағы сутектің орнын басып тұр, олай болса реакция типі - орын басу.

белсенді металл + қышқыл = тұз + сутек газ

Осылайша алынған сутегінің тазалығы тұрған спирт шамына немесе шырпыға сутек жиналған сынауықты апарамыз, сонда сутегі таза болса баяу «пах» деген дыбыс шығарады, ал таза болмаса (сынауықтағы ауа толығынан ығыспаса) дыбыс қаттырақ естіледі. Сутегіні алу үшін өте белсенді металдар қолданылмайды, ол экономикалық жағынан тиімсіз. Металдың белсенділігі өте жоғары болғанда (К, Na, Са) олар сутекті судың құрамынан да ығыстыра алады: 2Na + 2HOH = 2 NaOH + Н₂ ↑

Бұл реакция ете шабытты жүреді, бөлінген сутегінің өсерінен металдың түйіршігі су бетінде айнала қозғалып («жүгіріп») жүреді. Дәл осындай реакция кальцийді алғанда да байқалады. Са+ 2НОН = Са (ОН)₂+ Н₂↑

Кипп аппараты

Зертханаларда сутегін және басқа да газдарды (С0₂, H₂S, т.б.) қажеттілігіне қарай дүркін-дүркін алып түру үшін арнайы құрылғы қолданылады, ол «Кипп аппараты» деп аталады.

Бұл екі бөлімнен тұратын калың кабырғалы шыныдан жасалған құрал:

• астыңғы бөлігі өзара байланысқан шар мен жарты шар пішінді етіп жасалған (1),
• ал үстіңгі бөлігі ұзын түтігі бар шар тәрізді үлкен құйғы (2).
• Астыңғы бөлігінің шар және жарты шары арасында қышқылға төзімді

материалдан жасалған зат түйірлерін (Me, СаС0₃, FeS т. б.) үстап түратын сақинасы (3),

• ал астыңғы жарты шардың табанына тақау жерде шүмегі (4)

бар.

• Астыңғы бөлігінің шар тәріздес бөлімінде тесігі бар, оған газ шығатын түтік қойылған, онда газдың ағынын реттеп тұратын шүмегі (5) бар.

Кипп аппаратының жұмыс істеу реті мынадай:

1. Ортаңғы беліміндегі сақина үстіне зат түйіршіктерін (Me, СаС03, FeS) салу.
2. Астыңғы жарты шардың шүмегін (4) жабу.
3. Құйғыға (2) қышқыл ерітіндісін абайлап құю.
4. Ортаңғы бөліктегі шүмекті (5) ашқанда төменгі жарты шардан қышқыл көтеріліп, сақина үстіндегі затпен жанасады да реакция басталады.
5. Бөлінген сутегін жинау.
6. Сутегін жинап алғаннан кейін шүмекті жапканда газ қысуының салдарынан қышқыл кері қарай құйғы бойымен көтеріледі.
7. Оның тазалығын тексеру.

Ескерту! Сутегін сынауыққа жинап алып қана тазалығын тексереміз, жанған шырпыны аппараттың газ бөлінетін түтігіне [5] өсте жақындатуға болмайды, себебі тұтанған газ жанып аппаратты жарып кетуі мүмкін.