În sistemul periodic, are propria sa poziție specifică, 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 simultan. Este situat în două grupe de elemente care sunt complet opuse în proprietățile lor manifestate. Acesta este hidrogen. Aceste 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, 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 mică. 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 sistemul periodic.
- Numărul de serie al hidrogenului este 1, numărul de electroni este același, respectiv numărul de protoni este același. Masa atomică este 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 exterior îi permite să prezinte cu succes atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare. În plus, după donarea unui electron, acesta rămâne un orbital liber, care participă la formarea legăturilor chimice conform mecanismului donor-acceptor.
- Hidrogenul este un agent reducător puternic. Prin urmare, primul grup al subgrupului principal este considerat a fi locul său principal, unde conduce cele mai active metale - alcaline.
- Cu toate acestea, atunci când interacționează cu agenți reducători puternici, cum ar fi, de exemplu, metale, acesta poate fi, de asemenea, un agent de oxidare, acceptând un electron. Acești compuși se numesc hidruri. Pe această bază, 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 și foarte scăzută, deci este și reperul pentru ușurință.
Astfel, este evident că atomul de hidrogen este un cu totul 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 H 2, iar cea grafică - printr-o singură legătură sigma H-H. Mecanismul de formare a legăturilor dintre atomi este covalent nepolar.
- Reformarea cu abur a metanului.
- Gazeificarea cărbunelui - procesul presupune încălzirea cărbunelui la 1000 0 C, rezultând formarea hidrogenului și a cărbunelui cu conținut ridicat de carbon.
- Electroliză. Aceasta metoda poate fi folosit doar pentru solutii apoase diverse săruri, deoarece topiturile nu duc la evacuarea apei la catod.
Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:
- Hidroliza hidrururilor metalice.
- Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor active și activitate medie.
- Interacțiunea metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apa.
Pentru a colecta hidrogenul rezultat, este necesar să țineți eprubeta întoarsă cu susul în jos. La urma urmei, acest gaz nu poate fi colectat în același mod ca, de exemplu, dioxid de carbon. Acesta este hidrogen, este mult mai ușor decât aerul. Se volatilizează rapid și explodează atunci când este amestecat cu aer în cantități mari. Prin urmare, tubul trebuie răsturnat. 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 bumbacul este surd și liniștit, atunci gazul este curat, cu impurități minime ale aerului. Dacă este zgomotos și șuieră, este murdar, cu o mare proporție de componente străine.
Domenii de utilizare
Când hidrogenul este ars, se eliberează un numar mare de energie (căldură), că acest gaz este considerat cel mai profitabil combustibil. În plus, este prietenos cu mediul. Cu toate acestea, utilizarea sa în acest domeniu este în prezent limitată. Acest lucru se datorează problemelor prost concepute și nerezolvate ale sintetizării hidrogenului pur, care ar fi potrivit pentru utilizarea ca combustibil în reactoare, motoare și dispozitive portabile, precum și în cazanele de încălzire rezidențiale.
La urma urmei, metodele de obținere a acestui gaz sunt destul de costisitoare, așa că mai întâi este necesar să se dezvolte o metodă specială de sinteză. Unul care vă va permite să primiți produsul în volum mare si la un cost minim.
Există mai multe domenii principale în care gazul pe care îl luăm în considerare este utilizat.
- Sinteze chimice. Pe baza hidrogenării, se obțin săpunuri, margarine și materiale plastice. Cu participarea hidrogenului, se sintetizează metanol și amoniac, precum și alți compuși.
- ÎN Industria alimentară- ca aditiv E949.
- Industria aviației (construcții de rachete, construcții de avioane).
- Industria energetică.
- Meteorologie.
- Combustibil de tip ecologic.
Evident, hidrogenul este la fel de important, pe atât de abundent în natură. Un rol și mai mare îl au diferiții compuși formați de acesta.
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 generala- H Hal. 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. Și atât organice cât și anorganice. Clorura de hidrogen este un compus care are formula empirică HCL și este unul dintre cele mai mari ca producție anuală din 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. Cu toate acestea, sunt foarte inflamabile.
- Hidrurile sunt compuși cu metale. Ele aparțin clasei sărurilor.
- Hidroxizi: baze, acizi și compuși amfoteri. Compoziția lor include în mod necesar 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 pentru oxidul de hidrogen. Formula empirică arată astfel - H 2 O.
- Apă oxigenată. Acesta este cel mai puternic agent oxidant, a cărui formulă este H 2 O 2.
- numeroși compusi organici: carbohidrați, proteine, grăsimi, lipide, vitamine, hormoni, Uleiuri esentiale si altii.
Evident, varietatea de compuși ai elementului pe care îl luăm în considerare este foarte mare. Acest lucru confirmă încă o dată valoare ridicata pentru natură și om, precum și pentru toate ființele vii.
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, interconectați prin legături polare covalente. Molecula de apă este un dipol, ceea ce explică multe dintre proprietățile sale. În special, faptul că este un solvent universal.
Exact la mediu acvatic aproape toate procesele chimice au loc. Reacții interne ale plasticului și metabolismul energeticîn organismele vii se efectuează și folosind oxid de hidrogen.
Apa este considerată 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 care face parte din moleculă, există trei tipuri de apă.
- Lumină sau protium. Un izotop cu un număr de masă de 1. Formula este 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 T3O, izotopul este 3H.
Rezervele de apă proaspătă protium de pe planetă sunt foarte importante. Deja lipsește în multe țări. Se dezvoltă metode de tratare a apei sărate în vederea obținerii apei de băut.
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 reductor. 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 3% din hidratul cristalin al compusului în cauză este un medicament medical care este utilizat pentru tratarea rănilor mici în scopul decontaminării acestora. Cu toate acestea, s-a dovedit că în acest caz, vindecarea rănilor crește în timp.
Peroxidul de hidrogen este folosit și în combustibilul rachetelor, în industrie pentru dezinfecție și albire, 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, în același timp dăunează țesuturilor, de aceea nu este recomandată de specialiști în acest scop.
Hidrogenul este cel mai ușor și mai abundent element chimic. Pe vremea noastră, toată lumea a auzit despre asta, dar recent a fost un mare mister chiar și pentru cei mai buni oameni de știință. De acord, acest lucru este suficient pentru a afla mai multe despre elementul chimic hidrogen.
Hidrogen: distribuție în natură
După cum am spus mai sus, hidrogenul este cel mai comun element. Și nu numai pe Pământ, ci în tot Universul! Soarele este aproape jumătate din acest element chimic, iar majoritatea stelelor se bazează pe hidrogen. În spațiul interstelar, hidrogenul este, de asemenea, cel mai abundent element. Pe Pământ, hidrogenul este sub formă de compuși. Face parte din petrol, gaze, chiar și organismele vii. Oceanul Mondial conține aproximativ 11% hidrogen din masă. Există foarte puțin în atmosferă, doar aproximativ 5 zece miimi de procente.
Istoria descoperirii hidrogenului
Chiar și alchimiștii medievali au ghicit despre existența hidrogenului. Deci, Paracelsus în scrierile sale a subliniat că sub acțiunea acidului și a fierului se eliberează bule de „aer”. Dar ce fel de „aer” nu putea înțelege. În acele zile, oamenii de știință credeau că în fiecare substanță combustibilă exista un fel de componentă mistică de foc care susținea arderea. Această presupunere este numită teoria „flogistului”. Alchimiștii credeau, de exemplu, că lemnul era compus din cenușă, care rămâne după ardere, și flogiston, care este eliberat în timpul arderii.
Proprietățile hidrogenului au fost studiate pentru prima dată de chimiștii englezi Henry Cavendish și Joseph Priestley în secolul al XVIII-lea. Dar nu au înțeles pe deplin esența descoperirii lor. Ei au crezut că gazul ușor (și hidrogenul este de 14 ori mai ușor decât aerul) nu este altceva decât flogistul mistic.
Și doar Antoine Lavoisier a demonstrat că hidrogenul nu este deloc un flogist, ci un adevărat element chimic. În timpul experimentelor sale, el a reușit să obțină hidrogen din apă și apoi a demonstrat că apa se obține înapoi prin arderea hidrogenului. Prin urmare, acest element chimic a primit un astfel de nume - „dând naștere apei”.
Proprietățile chimice ale hidrogenului
Hidrogenul este primul element chimic, în tabelul periodic este notat cu simbolul H. Este un gaz ușor, inodor și incolor. Hidrogenul solid este cel mai ușor solid lichidul este cel mai ușor lichid. În plus, hidrogenul lichid, dacă intră în contact cu pielea, poate provoca degerături severe. Atomii și moleculele de hidrogen sunt cele mai mici. Prin urmare, balonul, umflat cu acest gaz, este suflat foarte repede - hidrogenul se scurge prin cauciuc. Când hidrogenul este amestecat cu oxigenul atmosferic, se formează un amestec foarte exploziv. Se numește „gaz exploziv”.
Când gazul este inhalat, frecvența vocii devine mult mai mare decât în mod normal. De exemplu, un bas dur masculin va suna ca vocile lui Chip și Dale. Cu toate acestea, astfel de experimente chimice nu ar trebui efectuate, din motivul indicat mai sus. Hidrogenul și oxigenul formează un gaz exploziv care poate exploda cu ușurință atunci când este expirat!
Aplicarea hidrogenului
În ciuda inflamabilității sale, hidrogenul este utilizat pe scară largă în multe industrii. Este folosit în principal în producția de amoniac pentru îngrășăminte minerale și în producția de alcool și materiale plastice. Pe vremuri, dirijabilele erau pline cu hidrogen și baloane, acest gaz ușor i-a ridicat în aer fără nicio dificultate. Dar acum în aviație și tehnologie spațială este folosit doar ca combustibil pentru rachetele spațiale. A creat motoare pentru mașinile care funcționează pe hidrogen. Sunt cele mai prietenoase cu mediul, deoarece atunci când sunt arse, se eliberează doar apă. Cu toate acestea, în acest moment, motoarele cu hidrogen au o serie de dezavantaje semnificative, nu răspund în complet cerințele de siguranță, astfel încât utilizarea lor este încă complet neglijabilă. În industria alimentară, hidrogenul este folosit la producerea margarinei, precum și pentru ambalarea alimentelor. Este chiar înregistrat ca aditiv alimentar E949. În industria energetică, hidrogenul este folosit pentru răcirea generatoarelor și pentru a genera electricitate în celulele de combustibil cu hidrogen-oxigen.
Hidrogen- primul element chimic al Tabelului Periodic elemente chimice DI. Mendeleev. Elementul chimic hidrogen este situat în primul grup, subgrupul principal, prima perioadă a Sistemului Periodic.
Masa atomică relativă a hidrogenului = 1.
Hidrogenul are cea mai simplă structură a unui atom, constă dintr-un singur electron, care este situat în spațiul nuclear. Nucleul unui atom de hidrogen este format dintr-un proton.
Atomul de hidrogen, în reacții chimice poate dona și câștiga un electron, formând două tipuri de ioni:
H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.
Hidrogen este cel mai abundent element din univers. Reprezintă aproximativ 88,6% din toți atomii (aproximativ 11,3% sunt atomi de heliu, ponderea tuturor celorlalte elemente combinate este de aproximativ 0,1%). Astfel, hidrogenul este componenta principală a stelelor și a gazului interstelar. În spațiul interstelar, acest element există sub formă de molecule, atomi și ioni individuali și poate forma nori moleculari care variază semnificativ în dimensiune, densitate și temperatură.
Fracția de masă a hidrogenului în Scoarta terestra este de 1%. Este al nouălea element cel mai comun. Importanța hidrogenului în procesele chimice care au loc pe Pământ este aproape la fel de mare ca cea a oxigenului. Spre deosebire de oxigen, care există pe Pământ atât în stare legată, cât și în stare liberă, aproape tot hidrogenul de pe Pământ este sub formă de compuși; doar o cantitate foarte mică de hidrogen sub formă de substanță simplă se găsește în atmosferă (0,00005% în volum pentru aerul uscat).
Hidrogenul este prezent în aproape toate materie organicăși este prezent în toate celulele vii.
Proprietățile fizice ale hidrogenului
O substanță simplă formată din elementul chimic hidrogen are structura moleculara. Compoziția sa corespunde formulei H2. La fel ca un element chimic, o substanță simplă se mai numește și hidrogen.
Hidrogen Este un gaz incolor, inodor si fara gust, practic insolubil in apa. La temperatura camerei și presiunea atmosferică normală, solubilitatea este de 18,8 ml de gaz la 1 litru de apă.
Hidrogen- cel mai ușor gaz, densitatea sa este de 0,08987 g/l. Pentru comparație: densitatea aerului este de 1,3 g/l.
Hidrogenul se poate dizolva în metale de exemplu, până la 850 de volume de hidrogen se pot dizolva într-un volum de paladiu. Datorită dimensiunii sale moleculare extrem de mici, hidrogenul este capabil să se difuzeze prin multe materiale.
Ca și alte gaze, hidrogenul temperaturi scăzute se condensează într-un lichid transparent incolor, aceasta are loc la o temperatură de - 252,8°C. Când temperatura atinge -259,2°C, hidrogenul se cristalizează sub formă de cristale albe, asemănătoare zăpezii.
Spre deosebire de oxigen, hidrogenul nu prezintă alotropie.
Aplicarea hidrogenului
Hidrogenul este utilizat în diverse industrii. O mulțime de hidrogen intră în producția de amoniac (NH3). Din amoniac, se obțin îngrășăminte cu azot, fibre sintetice și materiale plastice și medicamente.
În industria alimentară, hidrogenul este folosit la producerea margarinei, care conține grăsimi dure. Pentru a le obține din grăsimi lichide, prin ele trece hidrogen.
Când hidrogenul arde în oxigen, temperatura flăcării este de aproximativ 2500°C. La această temperatură, metalele refractare pot fi topite și sudate. Astfel, hidrogenul este folosit la sudare.
Un amestec de hidrogen lichid și oxigen este folosit ca combustibil pentru rachete.
În prezent, o serie de țări au început cercetările privind înlocuirea surselor de energie neregenerabile (petrol, gaz, cărbune) cu hidrogen. Când hidrogenul este ars în oxigen, se formează un produs prietenos cu mediul - apă, și nu dioxid de carbon, care provoacă efectul de seră.
Oamenii de știință sugerează că la mijlocul secolului 21 ar trebui să înceapă producția de masă de mașini alimentate cu hidrogen. Pilele de combustie de uz casnic, a căror activitate se bazează și pe oxidarea hidrogenului cu oxigen, vor găsi o largă aplicație.
La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea,în zorii erei aeronauticii, baloanele, aeronavele și baloanele erau umplute cu hidrogen, deoarece este mult mai ușor decât aerul. Cu toate acestea, epoca dirijabililor a început să se estompeze rapid în trecut după dezastrul care s-a întâmplat cu dirijabilul. Hindenburg. 6 mai 1937 dirijabil, plin cu hidrogen, a luat foc, ducând la moartea a zeci de pasageri.
Hidrogenul este extrem de exploziv în anumite proporții cu oxigenul. Nerespectarea normelor de siguranță a dus la aprinderea și explozia aeronavei.
- Hidrogen- primul element chimic din Tabelul periodic al elementelor chimice D.I. Mendeleev
- Hidrogenul este situat în grupa I, subgrupa principală, perioada 1 a Sistemului Periodic
- Valența hidrogenului în compuși - I
- Hidrogen Gaz incolor, inodor și fără gust, practic insolubil în apă
- Hidrogen- cel mai ușor gaz
- Hidrogenul lichid și solid este produs la temperaturi scăzute
- Hidrogenul se poate dizolva în metale
- Aplicațiile hidrogenului sunt variate
Hidrogenul H este cel mai comun element din Univers (aproximativ 75% din masă), pe Pământ este al nouălea cel mai comun element. Cel mai important compus natural de hidrogen este apa.
Hidrogenul ocupă primul loc în tabelul periodic (Z = 1). Are cea mai simplă structură a unui atom: nucleul unui atom este de 1 proton, înconjurat de un nor de electroni format din 1 electron.
În unele condiții, hidrogenul prezintă proprietăți metalice (donează un electron), în altele - nemetalic (acceptă un electron).
Izotopii de hidrogen se găsesc în natură: 1H - proțiu (nucleul este format dintr-un proton), 2H - deuteriu (D - nucleul este format dintr-un proton și un neutron), 3H - tritiu (T - nucleul este format dintr-un proton și doi neutroni).
Substanța simplă hidrogen
Molecula de hidrogen este formată din doi atomi legați printr-o legătură covalentă nepolară.
proprietăți fizice. Hidrogenul este un gaz incolor, netoxic, inodor și fără gust. Molecula de hidrogen nu este polară. Prin urmare, forțele interacțiunii intermoleculare în hidrogenul gazos sunt mici. Aceasta se manifestă în puncte de fierbere scăzute (-252,6 0С) și puncte de topire (-259,2 0С).
Hidrogenul este mai ușor decât aerul, D (în aer) = 0,069; ușor solubil în apă (2 volume de H2 se dizolvă în 100 de volume de H2O). Prin urmare, hidrogenul, atunci când este produs în laborator, poate fi colectat prin metode de deplasare a aerului sau a apei.
Obținerea de hidrogen
In laborator:
1. Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor:
Zn +2HCI → ZnCI2 +H2
2. Interacțiunea alcaline și metale sh-z cu apă:
Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2
3. Hidroliza hidrurilor: hidrurile metalice sunt ușor descompuse de apă cu formarea alcalinelor și hidrogenului corespunzătoare:
NaH + H2O → NaOH + H2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2
4. Acțiunea alcalinelor asupra zincului sau aluminiului sau siliciului:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2
Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2
5. Electroliza apei. Pentru crestere conductivitate electrică apă, i se adaugă un electrolit, de exemplu NaOH, H2SO4 sau Na2SO4. La catod se formează 2 volume de hidrogen, la anod - 1 volum de oxigen.
2H2O → 2H2 + O2
Producția industrială de hidrogen
1. Conversia metanului cu abur, Ni 800 °C (cel mai ieftin):
CH4 + H2O → CO + 3H2
CO + H2O → CO2 + H2
In total:
CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2
2. Vapori de apă prin cocs fierbinte la 1000 o C:
C + H2O → CO + H2
CO + H2O → CO2 + H2
Monoxidul de carbon (IV) rezultat este absorbit de apă, astfel se obține 50% hidrogen industrial.
3. Prin încălzirea metanului la 350°C în prezența unui catalizator de fier sau nichel:
CH4 → C + 2H2
4. Electroliza soluțiilor apoase de KCl sau NaCl ca produs secundar:
2H2O + 2NaCI → CI2 + H2 + 2NaOH
Proprietățile chimice ale hidrogenului
- În compuși, hidrogenul este întotdeauna monovalent. Are o stare de oxidare de +1, dar în hidrurile metalice este -1.
- Molecula de hidrogen este formată din doi atomi. Apariția unei legături între ele se explică prin formarea unei perechi generalizate de electroni H: H sau H 2
- Datorită acestei generalizări a electronilor, molecula de H 2 este mai stabilă energetic decât atomii săi individuali. Pentru a rupe o moleculă în atomi într-un mol de hidrogen, este necesar să consumați o energie de 436 kJ: H 2 \u003d 2H, ∆H ° \u003d 436 kJ / mol
- Aceasta explică activitatea relativ scăzută a hidrogenului molecular la temperatura obișnuită.
- Cu multe nemetale, hidrogenul formează compuși gazoși precum RN 4, RN 3, RN 2, RN.
1) Formează halogenuri de hidrogen cu halogeni:
H2 + CI2 → 2HCI.
În același timp, explodează cu fluor, reacționează cu clorul și bromul doar când este iluminat sau încălzit și cu iod doar când este încălzit.
2) Cu oxigen:
2H2 + O2 → 2H2O
cu degajare de căldură. La temperaturi obișnuite, reacția decurge lent, peste 550 ° C - cu o explozie. Un amestec de 2 volume de H 2 și 1 volum de O 2 se numește gaz exploziv.
3) Când este încălzit, reacționează energic cu sulful (mult mai dificil cu seleniul și telurul):
H2 + S → H2S (hidrogen sulfurat),
4) Cu azot cu formare de amoniac numai pe catalizator si cu temperaturi ridicate si presiuni:
ZN2 + N2 → 2NH3
5) Cu carbon la temperaturi ridicate:
2H 2 + C → CH 4 (metan)
6) Formează hidruri cu metale alcaline și alcalino-pământoase (hidrogenul este un agent oxidant):
H2 + 2Li → 2LiH
în hidrurile metalice, ionul de hidrogen este încărcat negativ (starea de oxidare -1), adică hidrura Na + H - este construită ca clorura Na + Cl -
Cu substanțe complexe:
7) Cu oxizi metalici (folositi la refacerea metalelor):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O
8) cu monoxid de carbon (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Sinteză - gaz (un amestec de hidrogen și monoxid de carbon) are o mare importanță practică, deoarece în funcție de temperatură, presiune și catalizator se formează diverși compuși organici, de exemplu, HCHO, CH 3 OH și alții.
9) Hidrocarburile nesaturate reacţionează cu hidrogenul, transformându-se în saturate:
CnH2n + H2 → CnH2n+2.
În sistemul periodic, hidrogenul este situat în două grupuri de elemente care sunt absolut opuse în proprietățile lor. Această caracteristică îl face complet unic. Hidrogenul nu este doar un element sau o substanță, ci și o componentă a multor compuși complecși, un element organogen și biogen. Prin urmare, luăm în considerare proprietățile și caracteristicile sale mai detaliat.
Eliberarea de gaz combustibil în timpul interacțiunii metalelor și acizilor 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 hiperfină”) 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 efectuat în 1783 sinteza apei, iar apoi analiza acesteia prin descompunerea vaporilor de apă cu fier înroșit. 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 este o substanță simplă și, în consecință, se numără printre elementele chimice primare. El a numit-o hidrogen (din cuvintele grecești hydor - apă + gennao - nasc), adică „născând apă”.
Denumirea rusă „hidrogen” a fost propusă în 1824 de chimistul M. Solovyov. Determinarea compoziției apei a marcat sfârșitul „teoriei flogistului”. La începutul secolelor al XVIII-lea și al XIX-lea, s-a constatat că atomul de hidrogen este foarte ușor (în comparație cu atomii altor elemente) și masa lui a fost luată ca unitate principală de comparație. mase atomice, obținând valoarea egală cu 1.
Proprietăți fizice
Hidrogenul este cea mai ușoară dintre toate substanțele cunoscute științei (este de 14,4 ori mai ușor 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 o temperatură mai mică de fierbere și topire).
Temperatura critică a hidrogenului este extrem de scăzută (-240 °C). Din acest motiv, lichefierea sa este un proces destul de complicat și costisitor. Presiunea critică a unei substanțe 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 de 0,174 W / (mxK).
Capacitatea termică specifică a unei substanțe în aceleași condiții este de 14,208 kJ/(kgxK) sau 3,394 cal/(gh°C). Acest element este ușor solubil în apă (aproximativ 0,0182 ml / g la 1 atm și 20 ° C), dar bine - 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, în timp ce 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 ° \u003d -253 ° C) și fluidă (vâscozitate - 13,8 centigrade în aceleași condiții).
În mulți compuși, acest element prezintă o valență +1 (stare de oxidare), similară cu sodiul și alte metale alcaline. De obicei, este considerat un analog al acestor metale. În consecință, el conduce grupul I al sistemului Mendeleev. În hidrurile metalice, ionul de hidrogen se manifestă sarcina negativa(starea de oxidare este -1), adică Na + H- are o structură similară cu clorura Na + Cl-. În conformitate cu aceasta și alte câteva fapte (apropierea proprietăților fizice ale elementului „H” și halogeni, capacitatea de a-l înlocui cu halogeni în compuși organici), hidrogenul este atribuit grupului VII al sistemului Mendeleev.
ÎN conditii normale hidrogenul molecular are activitate scăzută, combinându-se direct doar cu cel mai activ dintre nemetale (cu fluor și clor, cu acesta din urmă - la 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 oxigen, 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 ° С, este necontrolată. Limitele explozive ale unui amestec de hidrogen + oxigen în volum sunt 4–94% H₂, iar amestecurile de hidrogen + aer sunt 4–74% H₂ (un amestec de două volume de H₂ și un volum de O₂ se numește gaz exploziv).
Acest element este folosit pentru a reduce majoritatea metalelor, deoarece ia oxigen din oxizi:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,
CuO + H₂ = Cu + H₂O etc.
Cu diferiți halogeni, hidrogenul formează halogenuri de hidrogen, 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), reacționează cu bromul și clorul numai atunci când este încălzit sau iluminat și cu iod - numai când este încălzit. Când interacționează cu azotul, se formează amoniac, dar numai pe un catalizator, cu presiuni crescute si temperatura:
ZN2 + N2 = 2NH3.
Când este încălzit, hidrogenul reacţionează activ cu sulful:
H₂ + S = H₂S (hidrogen sulfurat),
și 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:
Н₂ + 2Li = 2LiH.
De o importanță practică nu mică sunt interacțiunile hidrogenului și monoxidului de carbon (II). În acest caz, în funcție de presiune, temperatură și catalizator, se formează diverși compuși organici: HCHO, CH₃OH etc. Hidrocarburile nesaturate se transformă în saturate în timpul reacției, 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 tind să formeze legături de hidrogen cu diferite elemente, care au un efect semnificativ asupra proprietăților multor compuși anorganici și organici.
Obținerea de hidrogen
Principalele tipuri de materii prime pentru producerea industrială a acestui element sunt gazele de rafinărie, combustibilii naturale și gazele de cocs. De asemenea, se obține din apă prin electroliză (în locurile cu energie electrică accesibilă). Unul dintre metode esentiale Producția de material din gaze naturale este considerată a fi interacțiunea catalitică a hidrocarburilor, în principal metanul, cu vaporii de apă (așa-numita conversie). De exemplu:
CH4 + H20 = CO + ZH2.
Oxidarea incompletă a hidrocarburilor cu oxigen:
CH₄ + ½O₂ \u003d 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 este trecut 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 acid clorhidricși zinc. Cu toate acestea, mai des utilizate materiale gata făcute din fabrică în cilindri.
Din gazele de rafinărie și gazul cuptorului de cocs, acest element este izolat prin îndepărtarea tuturor celorlalte componente ale amestecului de gaze, deoarece acestea sunt mai ușor lichefiate în timpul răcirii profunde.
Acest material a început să fie obținut industrial la sfârșitul secolului al XVIII-lea. Apoi a fost folosit pentru umplere baloane. 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 producătorii 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. Elemente esentiale pentru energia nucleară sunt izotopii ei - tritiu și deuteriu.
Rolul biologic al hidrogenului
Aproximativ 10% din masa organismelor vii (în medie) cade pe acest element. Este prezent în apă și grupuri majore compuși naturali, inclusiv proteine, acizi nucleici, lipide, carbohidrați. La ce serveste?
Acest material joacă un rol decisiv: în întreținere structura spatiala proteine (cuaternare), în implementarea principiului complementarității acizilor nucleici (adică în implementarea și stocarea informațiilor genetice), în general, în „recunoaștere” la nivel molecular.
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 homeostaziei, în procesele de transport membranar. Alături de carbon și oxigen, formează baza funcțională și structurală a fenomenelor vieții.
