Hidrogenul a fost descoperit în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea de către omul de știință englez din domeniul fizicii și chimiei G. Cavendish. El a reușit să izoleze substanța în stare pură, a început să o studieze și i-a descris proprietățile.
Aceasta este povestea descoperirii hidrogenului. În timpul experimentelor, cercetătorul a stabilit că este un gaz inflamabil, a cărui combustie în aer produce apă. Aceasta a condus la determinarea compoziției calitative a apei.
Ce este hidrogenul
Chimistul francez A. Lavoisier a anunțat pentru prima dată hidrogenul ca substanță simplă în 1784, deoarece a stabilit că molecula sa conține atomi de același tip.
Numele elementului chimic în latină sună ca hidrogeniu (a se citi „hidrogeniu”), care înseamnă „dator de apă”. Numele se referă la reacția de ardere care produce apă.
Caracteristicile hidrogenului
Desemnarea hidrogenului N. Mendeleev a atribuit primul număr atomic acestui element chimic, plasându-l în subgrupul principal al primului grup și în prima perioadă și condiționat în subgrupul principal al celui de-al șaptelea grup.
Greutatea atomică (masa atomică) a hidrogenului este 1,00797. Greutatea moleculară a lui H2 este 2 a. e. Masa molară este numeric egală cu aceasta.
Este reprezentat de trei izotopi care au o denumire specială: cel mai comun protiu (H), deuteriu greu (D), tritiu radioactiv (T).
Este primul element care poate fi complet separat în izotopi într-un mod simplu. Se bazează pe diferența mare de masă a izotopilor. Procesul a fost efectuat pentru prima dată în 1933. Acest lucru se explică prin faptul că abia în 1932 a fost descoperit un izotop cu masa 2.
Proprietăți fizice
În condiții normale, substanța simplă hidrogenul sub formă de molecule biatomice este un gaz, incolor, insipid și inodor. Puțin solubil în apă și alți solvenți.
Temperatura de cristalizare - 259,2 o C, punctul de fierbere - 252,8 o C. Diametrul moleculelor de hidrogen este atât de mic încât au capacitatea de a difuza încet printr-o serie de materiale (cauciuc, sticlă, metale). Această proprietate este utilizată atunci când este necesară purificarea hidrogenului de impuritățile gazoase. Când n. u. hidrogenul are o densitate de 0,09 kg/m3.
Este posibil să se transforme hidrogenul într-un metal prin analogie cu elementele situate în primul grup? Oamenii de știință au descoperit că hidrogenul, în condițiile în care presiunea se apropie de 2 milioane de atmosfere, începe să absoarbă razele infraroșii, ceea ce indică polarizarea moleculelor substanței. Poate că, la presiuni și mai mari, hidrogenul va deveni un metal.
Acesta este interesant: se presupune că pe planetele gigantice, Jupiter și Saturn, hidrogenul se găsește sub formă de metal. Se presupune că hidrogenul solid metalic este prezent și în miezul pământului, din cauza presiunii ultra-înalte create de mantaua pământului.
Proprietăți chimice
Atât substanțele simple, cât și cele complexe intră în interacțiune chimică cu hidrogenul. Dar activitatea scăzută a hidrogenului trebuie crescută prin crearea unor condiții adecvate - creșterea temperaturii, utilizarea catalizatorilor etc.
Când sunt încălzite, substanțele simple precum oxigenul (O 2), clorul (Cl 2), azotul (N 2), sulful (S) reacţionează cu hidrogenul.
Dacă aprindeți hidrogen pur la capătul unui tub de evacuare a gazului în aer, acesta va arde uniform, dar abia vizibil. Dacă plasați tubul de evacuare a gazului într-o atmosferă de oxigen pur, arderea va continua cu formarea de picături de apă pe pereții vasului, ca rezultat al reacției:
Arderea apei este însoțită de degajarea unei cantități mari de căldură. Este o reacție compusă exotermă în care hidrogenul este oxidat de oxigen pentru a forma oxidul H 2 O. Este, de asemenea, o reacție redox în care hidrogenul este oxidat și oxigenul este redus.
Reacția cu Cl2 are loc în mod similar pentru a forma acid clorhidric.
Interacțiunea azotului cu hidrogenul necesită temperatură ridicată și presiune ridicată, precum și prezența unui catalizator. Rezultatul este amoniacul.
Ca urmare a reacției cu sulful, se formează hidrogen sulfurat, a cărei recunoaștere este facilitată de mirosul caracteristic al ouălor putrezite.
Starea de oxidare a hidrogenului în aceste reacții este +1, iar în hidrurile descrise mai jos - 1.
La reacția cu unele metale, se formează hidruri, de exemplu, hidrură de sodiu - NaH. Unii dintre acești compuși complecși sunt folosiți ca combustibil pentru rachete, precum și în energia termonucleară.
Hidrogenul reacționează și cu substanțele din categoria complexă. De exemplu, cu oxid de cupru (II), formula CuO. Pentru a efectua reacția, hidrogenul de cupru este trecut peste oxid de cupru (II) sub formă de pulbere încălzit. În timpul interacțiunii, reactivul își schimbă culoarea și devine roșu-maro, iar picăturile de apă se depun pe pereții reci ai eprubetei.
Hidrogenul este oxidat în timpul reacției, formând apă, iar cuprul este redus de la oxid la o substanță simplă (Cu).
Domenii de utilizare
Hidrogenul este de mare importanță pentru oameni și este utilizat într-o varietate de domenii:
- În producția chimică este vorba de materii prime, în alte industrii este de combustibil. Întreprinderile petrochimice și de rafinare a petrolului nu se pot descurca fără hidrogen.
- În industria energiei electrice, această substanță simplă acționează ca un agent de răcire.
- În metalurgia feroasă și neferoasă, hidrogenul joacă rolul de agent reducător.
- Acest lucru ajută la crearea unui mediu inert la ambalarea produselor.
- Industria farmaceutică – folosește hidrogenul ca reactiv în producerea peroxidului de hidrogen.
- Baloanele meteorologice sunt umplute cu acest gaz ușor.
- Acest element este cunoscut și ca reductor de combustibil pentru motoarele de rachetă.
Oamenii de știință prevăd în unanimitate că combustibilul cu hidrogen va prelua conducerea în sectorul energetic.
Primire în industrie
În industrie, hidrogenul este produs prin electroliză, care este supus clorurilor sau hidroxizilor metalelor alcaline dizolvate în apă. De asemenea, este posibil să obțineți hidrogen direct din apă folosind această metodă.
În aceste scopuri se folosește conversia cocsului sau a metanului cu vapori de apă. Descompunerea metanului la temperaturi ridicate produce și hidrogen. Lichefierea gazului cuptorului de cocs prin metoda fracționată este utilizată și pentru producția industrială de hidrogen.
Obținut în laborator
În laborator, un aparat Kipp este folosit pentru a produce hidrogen.
Reactivii sunt acid clorhidric sau sulfuric și zinc. Reacția produce hidrogen.
Găsirea hidrogenului în natură
Hidrogenul este mai comun decât orice alt element din Univers. Cea mai mare parte a stelelor, inclusiv Soarele, și a altor corpuri cosmice este hidrogen.
În scoarța terestră este doar 0,15%. Este prezent în multe minerale, în toate substanțele organice, precum și în apă, care acoperă 3/4 din suprafața planetei noastre.
Urme de hidrogen pur pot fi găsite în straturile superioare ale atmosferei. De asemenea, se găsește într-un număr de gaze naturale inflamabile.
Hidrogenul gazos este cel mai puțin dens, iar hidrogenul lichid este substanța cea mai densă de pe planeta noastră. Cu ajutorul hidrogenului, îți poți schimba timbrul vocii dacă o inspiri și vorbești în timp ce expiri.
Cea mai puternică bombă cu hidrogen se bazează pe scindarea celui mai ușor atom.
Are propria sa poziție specifică în tabelul periodic, care reflectă proprietățile pe care le prezintă și vorbește despre structura sa electronică. Cu toate acestea, printre toate există un atom special care ocupă două celule deodată. Este situat în două grupuri de elemente care sunt complet opuse în proprietățile lor. Acesta este hidrogen. Astfel de caracteristici îl fac unic.
Hidrogenul nu este doar un element, ci și o substanță simplă, precum și o parte integrantă a multor compuși complecși, un element biogen și organogen. Prin urmare, să luăm în considerare caracteristicile și proprietățile sale mai detaliat.
Hidrogenul ca element chimic
Hidrogenul este un element din primul grup al subgrupului principal, precum și al șaptelea grup al subgrupului principal în prima perioadă minoră. Această perioadă este formată din doar doi atomi: heliu și elementul pe care îl luăm în considerare. Să descriem principalele caracteristici ale poziției hidrogenului în tabelul periodic.
- Numărul atomic al hidrogenului este 1, numărul de electroni este același și, în consecință, numărul de protoni este același. Masa atomică - 1,00795. Există trei izotopi ai acestui element cu numere de masă 1, 2, 3. Cu toate acestea, proprietățile fiecăruia dintre ei sunt foarte diferite, deoarece o creștere a masei chiar și cu unul pentru hidrogen este imediat dublă.
- Faptul că conține doar un electron pe suprafața sa exterioară îi permite să prezinte cu succes atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare. În plus, după ce a donat un electron, acesta rămâne cu un orbital liber, care participă la formarea legăturilor chimice conform mecanismului donor-acceptor.
- Hidrogenul este un agent reducător puternic. Prin urmare, locul său principal este considerat a fi primul grup al subgrupului principal, unde conduce cele mai active metale - alcaline.
- Cu toate acestea, atunci când interacționează cu agenți reducători puternici, cum ar fi metalele, poate fi și un agent oxidant, acceptând un electron. Acești compuși se numesc hidruri. Conform acestei caracteristici, conduce subgrupul de halogeni cu care este similar.
- Datorită masei sale atomice foarte mici, hidrogenul este considerat cel mai ușor element. În plus, densitatea sa este, de asemenea, foarte mică, deci este și un etalon pentru ușurință.
Astfel, este evident că atomul de hidrogen este un element complet unic, spre deosebire de toate celelalte elemente. În consecință, proprietățile sale sunt și ele deosebite, iar substanțele simple și complexe formate sunt foarte importante. Să le luăm în considerare mai departe.
Substanță simplă
Dacă vorbim despre acest element ca moleculă, atunci trebuie să spunem că este diatomic. Adică hidrogenul (o substanță simplă) este un gaz. Formula sa empirică va fi scrisă ca H2, iar formula sa grafică va fi scrisă prin relația unică sigma H-H. Mecanismul de formare a legăturilor între atomi este covalent nepolar.
- Reformarea metanului cu abur.
- Gazeificarea cărbunelui - procesul presupune încălzirea cărbunelui la 1000 0 C, rezultând formarea hidrogenului și a cărbunelui cu conținut ridicat de carbon.
- Electroliză. Această metodă poate fi utilizată numai pentru soluții apoase de diferite săruri, deoarece topiturile nu conduc la o descărcare de apă la catod.
Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:
- Hidroliza hidrurilor metalice.
- Efectul acizilor diluați asupra metalelor active și asupra activității medii.
- Interacțiunea metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apa.
Pentru a colecta hidrogenul produs, trebuie să țineți eprubeta cu susul în jos. La urma urmei, acest gaz nu poate fi colectat în același mod ca, de exemplu, dioxidul de carbon. Acesta este hidrogen, este mult mai ușor decât aerul. Se evaporă rapid, iar în cantități mari explodează atunci când este amestecat cu aer. Prin urmare, eprubeta ar trebui să fie inversată. După umplere, acesta trebuie închis cu un dop de cauciuc.
Pentru a verifica puritatea hidrogenului colectat, ar trebui să aduceți un chibrit aprins la gât. Dacă bataia este plictisitoare și liniștită, înseamnă că gazul este curat, cu impurități minime ale aerului. Dacă este zgomotos și șuiera, este murdar, cu o mare proporție de componente străine.
Domenii de utilizare
Când hidrogenul este ars, se eliberează o cantitate atât de mare de energie (căldură), încât acest gaz este considerat cel mai profitabil combustibil. În plus, este prietenos cu mediul. Cu toate acestea, până în prezent, aplicarea sa în acest domeniu este limitată. Acest lucru se datorează problemelor prost concepute și nerezolvate de sinteză a hidrogenului pur, care ar fi potrivit pentru utilizare ca combustibil în reactoare, motoare și dispozitive portabile, precum și în cazanele de încălzire rezidențiale.
La urma urmei, metodele de producere a acestui gaz sunt destul de costisitoare, așa că mai întâi este necesar să se dezvolte o metodă specială de sinteză. Una care vă va permite să obțineți produsul în volume mari și la costuri minime.
Există mai multe domenii principale în care gazul pe care îl luăm în considerare este utilizat.
- Sinteze chimice. Hidrogenarea este folosită pentru a produce săpunuri, margarine și materiale plastice. Cu participarea hidrogenului, metanolul și amoniacul, precum și alți compuși, sunt sintetizați.
- În industria alimentară - ca aditiv E949.
- Industria aviației (știința rachetelor, producția de avioane).
- Industria energiei electrice.
- Meteorologie.
- Combustibil ecologic.
Evident, hidrogenul este la fel de important, pe atât de abundent în natură. Diferiții compuși pe care îi formează joacă un rol și mai mare.
Compuși cu hidrogen
Acestea sunt substanțe complexe care conțin atomi de hidrogen. Există mai multe tipuri principale de astfel de substanțe.
- Halogenuri de hidrogen. Formula generală este HHal. Printre acestea, o importanță deosebită este clorura de hidrogen. Este un gaz care se dizolvă în apă pentru a forma o soluție de acid clorhidric. Acest acid este utilizat pe scară largă în aproape toate sintezele chimice. Mai mult, atât organice cât și anorganice. Clorura de hidrogen este un compus cu formula empirică HCL și este unul dintre cele mai mari produse anual în țara noastră. Halogenurile de hidrogen includ, de asemenea, iodură de hidrogen, fluorură de hidrogen și bromură de hidrogen. Toate formează acizii corespunzători.
- Volatile Aproape toate sunt gaze destul de otrăvitoare. De exemplu, hidrogen sulfurat, metan, silan, fosfină și altele. În același timp, sunt foarte inflamabile.
- Hidrurile sunt compuși cu metale. Ele aparțin clasei sărurilor.
- Hidroxizi: baze, acizi și compuși amfoteri. Ele conțin neapărat atomi de hidrogen, unul sau mai mulți. Exemplu: NaOH, K2, H2SO4 şi altele.
- Hidroxid de hidrogen. Acest compus este mai bine cunoscut sub numele de apă. Un alt nume este oxid de hidrogen. Formula empirică arată astfel - H 2 O.
- Apă oxigenată. Acesta este un agent oxidant puternic, a cărui formulă este H 2 O 2.
- Numeroși compuși organici: hidrocarburi, proteine, grăsimi, lipide, vitamine, hormoni, uleiuri esențiale și altele.
Este evident că varietatea de compuși ai elementului pe care îl luăm în considerare este foarte mare. Acest lucru confirmă încă o dată importanța sa ridicată pentru natură și oameni, precum și pentru toate ființele vii.
- acesta este cel mai bun solvent
După cum am menționat mai sus, numele comun pentru această substanță este apă. Este format din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen, legați prin legături polare covalente. Molecula de apă este un dipol, asta explică multe dintre proprietățile pe care le prezintă. În special, este un solvent universal.
În mediul acvatic au loc aproape toate procesele chimice. Reacțiile interne ale metabolismului plastic și energetic la organismele vii sunt, de asemenea, efectuate folosind oxid de hidrogen.
Apa este considerată pe bună dreptate cea mai importantă substanță de pe planetă. Se știe că niciun organism viu nu poate trăi fără el. Pe Pământ poate exista în trei stări de agregare:
- lichid;
- gaz (abur);
- solid (gheață).
În funcție de izotopul hidrogenului inclus în moleculă, se disting trei tipuri de apă.
- Lumină sau protium. Un izotop cu număr de masă 1. Formula - H 2 O. Aceasta este forma obișnuită pe care o folosesc toate organismele.
- Deuteriu sau greu, formula sa este D 2 O. Contine izotopul 2 H.
- Super grele sau tritiu. Formula arată ca T 3 O, izotop - 3 H.
Rezervele de apă proaspătă protium de pe planetă sunt foarte importante. Există deja o lipsă de ea în multe țări. Se dezvoltă metode de tratare a apei sărate pentru a produce apă potabilă.
Peroxidul de hidrogen este un remediu universal
Acest compus, așa cum sa menționat mai sus, este un excelent agent de oxidare. Cu toate acestea, cu reprezentanți puternici se poate comporta și ca un restaurator. În plus, are un efect bactericid pronunțat.
Un alt nume pentru acest compus este peroxid. În această formă este utilizat în medicină. O soluție de hidrat cristalin de 3% a compusului în cauză este un medicament medical care este utilizat pentru tratarea rănilor mici în scopul dezinfectării acestora. Cu toate acestea, s-a dovedit că acest lucru crește timpul de vindecare a rănii.
Peroxidul de hidrogen este, de asemenea, utilizat în combustibilul pentru rachete, în industrie pentru dezinfecție și albire și ca agent de spumare pentru producerea de materiale adecvate (spumă, de exemplu). În plus, peroxidul ajută la curățarea acvariilor, la albirea părului și la albirea dinților. Cu toate acestea, dăunează țesuturilor, așa că nu este recomandat de specialiști în aceste scopuri.
Hidrogenul H este un element chimic, unul dintre cele mai comune din Universul nostru. Masa hidrogenului ca element în compoziția substanțelor este de 75% din conținutul total de atomi de alte tipuri. Face parte din cel mai important și vital compus de pe planetă - apa. O caracteristică distinctivă a hidrogenului este, de asemenea, că este primul element din sistemul periodic de elemente chimice al lui D.I.
Descoperire și explorare
Prima mențiune despre hidrogen în scrierile lui Paracelsus datează din secolul al XVI-lea. Dar izolarea sa de amestecul gazos de aer și studiul proprietăților inflamabile au fost efectuate deja în secolul al XVII-lea de către omul de știință Lemery. Hidrogenul a fost studiat amănunțit de un chimist, fizician și om de știință natural englez care a demonstrat experimental că masa hidrogenului este cea mai mică în comparație cu alte gaze. În etapele ulterioare ale dezvoltării științei, mulți oameni de știință au lucrat cu el, în special Lavoisier, care l-a numit „nașterea apei”.
Caracteristici după poziție în PSHE
Elementul care deschide tabelul periodic al lui D.I Mendeleev este hidrogenul. Proprietățile fizice și chimice ale atomului arată o anumită dualitate, deoarece hidrogenul este clasificat simultan ca aparținând primului grup, subgrupului principal, dacă se comportă ca un metal și cedează un singur electron în procesul unei reacții chimice și la al șaptelea - în cazul umplerii complete a învelișului de valență, adică particule negative de acceptare, care o caracterizează ca fiind similară cu halogenii.
Caracteristicile structurii electronice a elementului
Proprietățile substanțelor complexe în care este inclus și ale celei mai simple substanțe H2 sunt determinate în primul rând de configurația electronică a hidrogenului. Particula are un electron cu Z= (-1), care se rotește pe orbită în jurul unui nucleu care conține un proton cu unitatea de masă și o sarcină pozitivă (+1). Configurația sa electronică este scrisă ca 1s 1, ceea ce înseamnă prezența unei particule negative în primul și singurul orbital s pentru hidrogen.
Când un electron este îndepărtat sau renunțat, iar un atom al acestui element are o asemenea proprietate încât este înrudit cu metalele, se obține un cation. În esență, ionul de hidrogen este o particulă elementară pozitivă. Prin urmare, hidrogenul lipsit de un electron se numește pur și simplu proton.
Proprietăți fizice
Pentru a descrie pe scurt hidrogenul, este un gaz incolor, ușor solubil, cu o masă atomică relativă de 2, 14,5 ori mai ușoară decât aerul, cu o temperatură de lichefiere de -252,8 grade Celsius.
Din experiență puteți verifica cu ușurință că H 2 este cel mai ușor. Pentru a face acest lucru, este suficient să umpleți trei bile cu diferite substanțe - hidrogen, dioxid de carbon, aer obișnuit - și să le eliberați simultan din mână. Cel umplut cu CO 2 va ajunge cel mai repede la sol, după el cel umflat cu amestecul de aer va coborî, iar cel care conține H 2 se va ridica până la tavan.
Masa și dimensiunea mică a particulelor de hidrogen justifică capacitatea acestuia de a pătrunde în diferite substanțe. Folosind exemplul aceleiași mingi, este ușor să verificați acest lucru după câteva zile, se va dezumfla de la sine, deoarece gazul va trece pur și simplu prin cauciuc. Hidrogenul se poate acumula și în structura unor metale (paladiu sau platină) și se evaporă din acesta când temperatura crește.
Proprietatea de solubilitate scăzută a hidrogenului este utilizată în practica de laborator pentru a-l izola prin deplasarea hidrogenului (tabelul prezentat mai jos conține principalii parametri) pentru a determina domeniul de aplicare al acestuia și metodele de producție.
| Parametrul unui atom sau al moleculei unei substanțe simple | Sens |
| Masa atomica (masa molara) | 1,008 g/mol |
| Configuratie electronica | 1s 1 |
| Celulă de cristal | Hexagonal |
| Conductivitate termică | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Densitatea la n. u. | 0,08987 g/l |
| Temperatura de fierbere | -252,76 °C |
| Căldura specifică de ardere | 120,9 10 6 J/kg |
| Temperatură de topire | -259,2 °C |
| Solubilitate in apa | 18,8 ml/l |
Compoziție izotopică
La fel ca mulți alți reprezentanți ai sistemului periodic de elemente chimice, hidrogenul are mai mulți izotopi naturali, adică atomi cu același număr de protoni în nucleu, dar un număr diferit de neutroni - particule cu sarcină zero și unitate de masă. Exemple de atomi cu o proprietate similară sunt oxigenul, carbonul, clorul, bromul și alții, inclusiv cei radioactivi.
Proprietățile fizice ale hidrogenului 1H, cel mai comun dintre reprezentanții acestui grup, diferă semnificativ de aceleași caracteristici ale omologilor săi. În special, caracteristicile substanțelor pe care le conțin diferă. Astfel, există apă obișnuită și deuteră, care conține, în loc de un atom de hidrogen cu un singur proton, deuteriu 2 H - izotopul său cu două particule elementare: pozitive și neîncărcate. Acest izotop este de două ori mai greu decât hidrogenul obișnuit, ceea ce explică diferența dramatică în proprietățile compușilor pe care îi formează. În natură, deuteriul se găsește de 3200 de ori mai puțin frecvent decât hidrogenul. Al treilea reprezentant este tritiul 3H are doi neutroni și un proton în nucleu.
Metode de producție și izolare
Metodele de laborator și cele industriale sunt destul de diferite. Astfel, gazul este produs în cantități mici în principal prin reacții care implică substanțe minerale, în timp ce producția pe scară largă utilizează sinteza organică într-o măsură mai mare.
Următoarele interacțiuni chimice sunt utilizate în laborator:
În scopuri industriale, gazul este produs prin următoarele metode:
- Descompunerea termică a metanului în prezența unui catalizator la substanțele sale simple constitutive (valoarea unui astfel de indicator ca temperatura ajunge la 350 de grade) - hidrogen H2 și carbon C.
- Trecerea apei cu aburi prin cocs la 1000 de grade Celsius pentru a forma dioxid de carbon CO 2 și H 2 (cea mai comună metodă).
- Conversia gazului metan pe un catalizator de nichel la temperaturi care ajung la 800 de grade.
- Hidrogenul este un produs secundar din electroliza soluțiilor apoase de cloruri de potasiu sau de sodiu.
Interacțiuni chimice: dispoziții generale
Proprietățile fizice ale hidrogenului explică în mare măsură comportamentul său în procesele de reacție cu un anumit compus. Valența hidrogenului este 1, deoarece este situat în primul grup din tabelul periodic, iar gradul de oxidare variază. În toți compușii, cu excepția hidrurilor, hidrogenul în d.o = (1+), în molecule de tip CN, CN 2, CN 3 - (1-).
Molecula de hidrogen gazos, formată prin crearea unei perechi de electroni generalizate, este formată din doi atomi și este destul de stabilă energetic, motiv pentru care în condiții normale este oarecum inertă și reacționează la schimbarea condițiilor normale. În funcție de gradul de oxidare al hidrogenului în compoziția altor substanțe, acesta poate acționa atât ca agent oxidant, cât și ca agent reducător.
Substante cu care hidrogenul reactioneaza si se formeaza
Interacțiuni elementare pentru a forma substanțe complexe (adesea la temperaturi ridicate):
- Metal alcalin și alcalino-pământos + hidrogen = hidrură.
- Halogen + H2 = halogenură de hidrogen.
- Sulf + hidrogen = hidrogen sulfurat.
- Oxigen + H2 = apă.
- Carbon + hidrogen = metan.
- Azot + H2 = amoniac.
Interacțiunea cu substanțe complexe:
- Producerea gazului de sinteză din monoxid de carbon și hidrogen.
- Reducerea metalelor din oxizii lor folosind H2.
- Saturarea hidrocarburilor alifatice nesaturate cu hidrogen.
Legătură de hidrogen
Proprietățile fizice ale hidrogenului sunt de așa natură încât îi permit, atunci când este în combinație cu un element electronegativ, să formeze un tip special de legătură cu același atom din molecule învecinate care au perechi de electroni singuri (de exemplu, oxigen, azot și fluor). Cel mai clar exemplu în care este mai bine să luăm în considerare acest fenomen este apa. Se poate spune că este cusut cu legături de hidrogen, care sunt mai slabe decât cele covalente sau ionice, dar datorită faptului că sunt multe, acestea au un impact semnificativ asupra proprietăților substanței. În esență, legătura de hidrogen este o interacțiune electrostatică care leagă moleculele de apă în dimeri și polimeri, dând naștere la punctul său de fierbere ridicat.
Hidrogenul în compușii minerali
Toate conțin un proton, un cation al unui atom, cum ar fi hidrogenul. O substanță al cărei reziduu acid are o stare de oxidare mai mare decât (-1) se numește compus polibazic. Conține mai mulți atomi de hidrogen, ceea ce face disociarea în soluții apoase în mai multe etape. Fiecare proton ulterior devine din ce în ce mai greu de îndepărtat din reziduul acid. Aciditatea mediului este determinată de conținutul cantitativ de hidrogen din mediu.
Aplicare în activitățile umane
Cilindrii cu substanța, precum și recipientele cu alte gaze lichefiate, cum ar fi oxigenul, au un aspect specific. Sunt vopsite în verde închis cu cuvântul „Hidrogen” scris în roșu aprins. Gazul este pompat într-un cilindru sub o presiune de aproximativ 150 de atmosfere. Proprietățile fizice ale hidrogenului, în special ușurința stării gazoase de agregare, sunt folosite pentru a umple baloane, baloane etc. cu acesta amestecat cu heliu.
Hidrogenul, ale căror proprietăți fizice și chimice oamenii au învățat să le folosească cu mulți ani în urmă, este utilizat în prezent în multe industrii. Cea mai mare parte este destinată producției de amoniac. Hidrogenul participă și la oxizi (hafniu, germaniu, galiu, siliciu, molibden, wolfram, zirconiu și alții), acționând în reacție ca agent reducător, acizi cianhidric și clorhidric, precum și combustibil lichid artificial. Industria alimentară îl folosește pentru a transforma uleiurile vegetale în grăsimi solide.
Au fost determinate proprietățile chimice și utilizarea hidrogenului în diferite procese de hidrogenare și hidrogenare a grăsimilor, cărbunilor, hidrocarburilor, uleiurilor și păcurului. Este folosit pentru a produce pietre prețioase, lămpi cu incandescență și pentru a forja și suda produse metalice sub influența unei flăcări de oxigen-hidrogen.
În tabelul periodic, hidrogenul este situat în două grupuri de elemente care sunt complet opuse în proprietățile lor. Această caracteristică îl face complet unic. Hidrogenul nu este doar un element sau o substanță, ci este și o parte integrantă a multor compuși complecși, un element organogen și biogen. Prin urmare, să ne uităm la proprietățile și caracteristicile sale mai detaliat.
Eliberarea de gaz inflamabil în timpul interacțiunii dintre metale și acizi a fost observată încă din secolul al XVI-lea, adică în timpul formării chimiei ca știință. Celebrul om de știință englez Henry Cavendish a studiat substanța începând cu 1766 și ia dat numele de „aer combustibil”. Când a fost ars, acest gaz producea apă. Din păcate, aderarea omului de știință la teoria flogistului (ipotetică „materie ultrafină”) l-a împiedicat să ajungă la concluziile corecte.
Chimistul și naturalistul francez A. Lavoisier, împreună cu inginerul J. Meunier și cu ajutorul gazometrelor speciale, au sintetizat apa în 1783, apoi au analizat-o prin descompunerea vaporilor de apă cu fier fierbinte. Astfel, oamenii de știință au putut ajunge la concluziile corecte. Ei au descoperit că „aerul combustibil” nu este doar o parte din apă, ci poate fi obținut și din aceasta.
În 1787, Lavoisier a sugerat că gazul studiat era o substanță simplă și, în consecință, era unul dintre elementele chimice primare. El a numit-o hidrogen (din cuvintele grecești hydor - apă + gennao - nasc), adică „născând apă”.
Numele rusesc „hidrogen” a fost propus în 1824 de chimistul M. Soloviev. Determinarea compoziției apei a marcat sfârșitul „teoriei flogistului”. La începutul secolelor al XVIII-lea și al XIX-lea, s-a stabilit că atomul de hidrogen este foarte ușor (în comparație cu atomii altor elemente) iar masa lui a fost luată ca unitate de bază pentru compararea maselor atomice, primind o valoare egală cu 1.
Proprietăți fizice
Hidrogenul este cea mai ușoară substanță cunoscută de știință (este de 14,4 ori mai ușoară decât aerul), densitatea sa este de 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Acest material se topește (solidifică) și, respectiv, fierbe (lichefiază), la -259,1 ° C și -252,8 ° C (doar heliul are temperaturi de fierbere și de topire mai scăzute).
Temperatura critică a hidrogenului este extrem de scăzută (-240 °C). Din acest motiv, lichefierea sa este un proces destul de complex și costisitor. Presiunea critică a substanței este de 12,8 kgf/cm², iar densitatea critică este de 0,0312 g/cm³. Dintre toate gazele, hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică: la 1 atm și 0 °C este egal cu 0,174 W/(mxK).
Capacitatea termică specifică a substanței în aceleași condiții este de 14,208 kJ/(kgxK) sau 3,394 cal/(rx°C). Acest element este ușor solubil în apă (aproximativ 0,0182 ml/g la 1 atm și 20 °C), dar bine solubil în majoritatea metalelor (Ni, Pt, Pa și altele), în special în paladiu (aproximativ 850 volume per volum de Pd ) .
Această din urmă proprietate este asociată cu capacitatea sa de a difuza, iar difuzia printr-un aliaj de carbon (de exemplu, oțel) poate fi însoțită de distrugerea aliajului din cauza interacțiunii hidrogenului cu carbonul (acest proces se numește decarbonizare). În stare lichidă, substanța este foarte ușoară (densitate - 0,0708 g/cm³ la t° = -253 °C) și fluidă (vâscozitate - 13,8 spoise în aceleași condiții).
În mulți compuși, acest element prezintă o valență +1 (stare de oxidare), precum sodiul și alte metale alcaline. De obicei, este considerat un analog al acestor metale. În consecință, el conduce grupa I a sistemului periodic. În hidrurile metalice, ionul de hidrogen prezintă o sarcină negativă (starea de oxidare este -1), adică Na+H- are o structură similară cu clorura Na+Cl-. În conformitate cu aceasta și alte câteva fapte (asemănarea proprietăților fizice ale elementului „H” și halogeni, capacitatea de a-l înlocui cu halogeni în compuși organici), hidrogenul este clasificat în grupa VII a sistemului periodic.
În condiții normale, hidrogenul molecular are activitate scăzută, combinându-se direct doar cu cel mai activ dintre nemetale (cu fluor și clor, cu acesta din urmă în lumină). La rândul său, atunci când este încălzit, interacționează cu multe elemente chimice.
Hidrogenul atomic are o activitate chimică crescută (comparativ cu hidrogenul molecular). Cu oxigenul formează apă după formula:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
eliberând 285,937 kJ/mol de căldură sau 68,3174 kcal/mol (25 °C, 1 atm). În condiții normale de temperatură, reacția decurge destul de lent, iar la t° >= 550 °C este incontrolabilă. Limitele explozive ale unui amestec de hidrogen + oxigen în volum sunt 4–94% H₂, iar un amestec de hidrogen + aer este de 4–74% H₂ (un amestec de două volume de H₂ și un volum de O₂ se numește gaz detonant).
Acest element este folosit pentru a reduce majoritatea metalelor, deoarece elimină oxigenul din oxizi:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O, etc.
Hidrogenul formează halogenuri de hidrogen cu diferiți halogeni, de exemplu:
H2 + CI2 = 2HCI.
Cu toate acestea, atunci când reacționează cu fluor, hidrogenul explodează (acest lucru se întâmplă și în întuneric, la -252 ° C), cu brom și clor reacţionează numai atunci când este încălzit sau iluminat, iar cu iod - numai când este încălzit. Când interacționează cu azotul, se formează amoniac, dar numai pe un catalizator, la presiuni și temperaturi ridicate:
ЗН₂ + N2 = 2NN₃.
Când este încălzit, hidrogenul reacționează activ cu sulful:
H₂ + S = H₂S (hidrogen sulfurat),
si mult mai dificil cu telur sau seleniu. Hidrogenul reacționează cu carbonul pur fără catalizator, dar la temperaturi ridicate:
2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metan).
Această substanță reacționează direct cu unele dintre metale (alcaline, alcalino-pământoase și altele), formând hidruri, de exemplu:
H2 + 2Li = 2LiH.
Interacțiunile dintre hidrogen și monoxid de carbon (II) sunt de o importanță practică considerabilă. În acest caz, în funcție de presiune, temperatură și catalizator, se formează diferiți compuși organici: HCHO, CH₃OH etc. Hidrocarburile nesaturate în timpul reacției devin saturate, de exemplu:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Hidrogenul și compușii săi joacă un rol excepțional în chimie. Determină proprietățile acide ale așa-numitelor. acizii protici, tinde să formeze legături de hidrogen cu diferite elemente, ceea ce are un impact semnificativ asupra proprietăților multor compuși anorganici și organici.
Producția de hidrogen
Principalele tipuri de materii prime pentru producția industrială a acestui element sunt gazele de rafinare a petrolului, gazele combustibile naturale și gazele de cocs. De asemenea, se obține din apă prin electroliză (în locurile unde este disponibilă electricitatea). Una dintre cele mai importante metode de producere a materialului din gaze naturale este interacțiunea catalitică a hidrocarburilor, în principal metanul, cu vaporii de apă (așa-numita conversie). De exemplu:
CH2 + H20 = CO + ZN2.
Oxidarea incompletă a hidrocarburilor cu oxigen:
CH₄ + ½O2 = CO + 2H2.
Monoxidul de carbon sintetizat (II) suferă conversie:
CO + H2O = CO2 + H2.
Hidrogenul produs din gaze naturale este cel mai ieftin.
Pentru electroliza apei se folosește curent continuu, care trece printr-o soluție de NaOH sau KOH (acizii nu sunt folosiți pentru a evita coroziunea echipamentului). În condiții de laborator, materialul este obținut prin electroliza apei sau ca rezultat al reacției dintre acidul clorhidric și zinc. Cu toate acestea, materialul de fabrică gata făcut în cilindri este folosit mai des.
Acest element este izolat de gazele de rafinare a petrolului și gazele cuptorului de cocs prin îndepărtarea tuturor celorlalte componente ale amestecului de gaze, deoarece se lichefiază mai ușor în timpul răcirii profunde.
Acest material a început să fie produs industrial la sfârșitul secolului al XVIII-lea. Pe atunci era folosit pentru umplerea baloanelor. În prezent, hidrogenul este utilizat pe scară largă în industrie, în special în industria chimică, pentru producerea de amoniac.
Consumatorii în masă ai substanței sunt producători de alcool metilic și alți alcooli, benzină sintetică și multe alte produse. Sunt obținute prin sinteza din monoxid de carbon (II) și hidrogen. Hidrogenul este utilizat pentru hidrogenarea combustibililor lichizi grei și solizi, grăsimilor etc., pentru sinteza HCl, hidrotratarea produselor petroliere, precum și în tăierea/sudarea metalelor. Cele mai importante elemente pentru energia nucleară sunt izotopii săi - tritiu și deuteriu.
Rolul biologic al hidrogenului
Aproximativ 10% din masa organismelor vii (în medie) provine din acest element. Face parte din apă și din cele mai importante grupuri de compuși naturali, inclusiv proteine, acizi nucleici, lipide și carbohidrați. Pentru ce este folosit?
Acest material joacă un rol decisiv: în menținerea structurii spațiale a proteinelor (cuaternar), în implementarea principiului complementarității acizilor nucleici (adică în implementarea și stocarea informațiilor genetice) și, în general, în „recunoașterea” la nivel molecular. nivel.
Ionul de hidrogen H+ participă la reacții/procese dinamice importante din organism. Inclusiv: în oxidarea biologică, care asigură energie celulelor vii, în reacțiile de biosinteză, în fotosinteză la plante, în fotosinteza bacteriană și fixarea azotului, în menținerea echilibrului acido-bazic și a homeostaziei, în procesele de transport membranar. Alături de carbon și oxigen, formează baza funcțională și structurală a fenomenelor vieții.
- Denumire - H (Hidrogen);
- Nume latin - Hydrogenium;
- Perioada - I;
- Grupa - 1 (Ia);
- Masa atomică - 1,00794;
- Numărul atomic - 1;
- Raza atomică = 53 pm;
- Raza covalentă = 32 pm;
- Distribuția electronilor - 1s 1;
- temperatura de topire = -259,14°C;
- punctul de fierbere = -252,87°C;
- Electronegativitatea (după Pauling/după Alpred și Rochow) = 2,02/-;
- Stare de oxidare: +1; 0; -1;
- Densitatea (nr.) = 0,0000899 g/cm3;
- Volumul molar = 14,1 cm3/mol.
Compuși binari ai hidrogenului cu oxigenul:
Hidrogenul („dând naștere la apă”) a fost descoperit de omul de știință englez G. Cavendish în 1766. Este cel mai simplu element din natură - un atom de hidrogen are un nucleu și un electron, motiv pentru care hidrogenul este cel mai abundent element din Univers (reprezentând mai mult de jumătate din masa majorității stelelor).
Despre hidrogen putem spune că „bobina este mică, dar scumpă”. În ciuda „simplităţii” sale, hidrogenul furnizează energie tuturor fiinţelor vii de pe Pământ - pe Soare are loc o reacţie termonucleară continuă în care se formează un atom de heliu din patru atomi de hidrogen, acest proces este însoţit de eliberarea unei cantităţi colosale de energie. (pentru mai multe detalii, vezi Fuziunea nucleară).
În scoarța terestră, fracția de masă a hidrogenului este de numai 0,15%. Între timp, majoritatea covârșitoare (95%) dintre toate substanțele chimice cunoscute pe Pământ conțin unul sau mai mulți atomi de hidrogen.
În compușii cu nemetale (HCl, H 2 O, CH 4 ...), hidrogenul cedează singurul său electron unor elemente mai electronegative, prezentând o stare de oxidare de +1 (mai des), formând doar legături covalente (vezi Covalent). legătură).
În compușii cu metale (NaH, CaH 2 ...), hidrogenul, dimpotrivă, acceptă un alt electron în singurul său orbital s, încercând astfel să-și completeze stratul electronic, prezentând o stare de oxidare de -1 (mai rar), formând adesea o legătură ionică (vezi legătura ionică), deoarece diferența de electronegativitate a atomului de hidrogen și a atomului de metal poate fi destul de mare.
H 2
În stare gazoasă, hidrogenul există sub formă de molecule diatomice, formând o legătură covalentă nepolară.
Moleculele de hidrogen au:
- mobilitate mare;
- putere mare;
- polarizabilitate scăzută;
- dimensiuni și greutate mici.
Proprietățile hidrogenului gazos:
- cel mai ușor gaz din natură, incolor și inodor;
- slab solubil în apă și solvenți organici;
- se dizolvă în cantități mici în metale lichide și solide (în special platină și paladiu);
- dificil de lichefiat (datorită polarizabilității sale scăzute);
- are cea mai mare conductivitate termică dintre toate gazele cunoscute;
- când este încălzit, reacţionează cu multe nemetale, prezentând proprietăţile unui agent reducător;
- la temperatura camerei reacţionează cu fluor (se produce o explozie): H 2 + F 2 = 2HF;
- reacţionează cu metalele pentru a forma hidruri, prezentând proprietăţi oxidante: H 2 + Ca = CaH 2 ;
În compuși, hidrogenul își prezintă proprietățile sale reducătoare mult mai puternic decât proprietățile sale de oxidare. Hidrogenul este cel mai puternic agent reducător după cărbune, aluminiu și calciu. Proprietățile reducătoare ale hidrogenului sunt utilizate pe scară largă în industrie pentru a obține metale și nemetale (substanțe simple) din oxizi și galide.
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
Reacții ale hidrogenului cu substanțe simple
Hidrogenul acceptă un electron, jucând un rol agent de reducere, în reacții:
- Cu oxigen(la aprindere sau în prezența unui catalizator), în raport de 2:1 (hidrogen:oxigen) se formează un gaz detonant exploziv: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
- Cu gri(când este încălzit la 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
- Cu clor(atunci când este aprins sau iradiat cu raze UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
- Cu fluor: H20 +F2 = 2H +1 F
- Cu azot(atunci când este încălzit în prezența catalizatorilor sau la presiune înaltă): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1
Hidrogenul donează un electron, jucând un rol agent oxidant, în reacții cu alcalinȘi alcalino-pământos metale cu formarea de hidruri metalice - compuși ionici asemănătoare sărurilor care conțin ioni de hidrură H - acestea sunt substanțe cristaline albe instabile.
Ca+H2 = CaH2-1 2Na+H20 = 2NaH-1
Nu este tipic ca hidrogenul să prezinte o stare de oxidare de -1. Când reacţionează cu apa, hidrurile se descompun, reducând apa la hidrogen. Reacția hidrurii de calciu cu apa este următoarea:
CaH2-1 +2H2 +10 = 2H20 +Ca(OH)2
Reacții ale hidrogenului cu substanțe complexe
- la temperaturi ridicate, hidrogenul reduce mulți oxizi de metal: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
- alcoolul metilic se obține prin reacția hidrogenului cu monoxidul de carbon (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
- În reacțiile de hidrogenare, hidrogenul reacționează cu multe substanțe organice.
Ecuațiile reacțiilor chimice ale hidrogenului și ale compușilor săi sunt discutate mai detaliat pe pagina „Hidrogen și compușii săi - ecuații ale reacțiilor chimice care implică hidrogen”.
Aplicații ale hidrogenului
- în energia nucleară se folosesc izotopi de hidrogen - deuteriu și tritiu;
- în industria chimică, hidrogenul este utilizat pentru sinteza multor substanțe organice, amoniac, acid clorhidric;
- în industria alimentară, hidrogenul este utilizat la producerea grăsimilor solide prin hidrogenarea uleiurilor vegetale;
- pentru sudarea și tăierea metalelor se folosește temperatura ridicată de ardere a hidrogenului în oxigen (2600°C);
- în producerea unor metale, hidrogenul este utilizat ca agent reducător (vezi mai sus);
- deoarece hidrogenul este un gaz ușor, este folosit în aeronautică ca umplutură pentru baloane, aerostate și dirijabile;
- Hidrogenul este folosit ca combustibil amestecat cu CO.
Recent, oamenii de știință au acordat destul de multă atenție căutării de surse alternative de energie regenerabilă. Una dintre zonele promițătoare este energia „hidrogenului”, în care hidrogenul este folosit drept combustibil, al cărui produs de ardere este apa obișnuită.
Metode de producere a hidrogenului
Metode industriale de producere a hidrogenului:
- conversia metanului (reducerea catalitică a vaporilor de apă) cu vapori de apă la temperatură ridicată (800°C) pe un catalizator de nichel: CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2;
- conversia monoxidului de carbon cu vapori de apă (t=500°C) pe un catalizator Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
- descompunerea termică a metanului: CH4 = C + 2H2;
- gazeificarea combustibililor solizi (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
- electroliza apei (o metodă foarte costisitoare care produce hidrogen foarte pur): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.
Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:
- acţiune asupra metalelor (de obicei zinc) cu acid clorhidric sau sulfuric diluat: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2S04 = ZnS04 + H2;
- interacțiunea vaporilor de apă cu pilitura fierbinte de fier: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.
