Hidrogen nemetalic. Proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului. Substante cu care reactioneaza si care formeaza hidrogen

• Denumire - H (Hidrogen);
• Denumire latină - Hidrogeniu;
• Perioada - I;
• Grupa - 1 (Ia);
• Masa atomică - 1,00794;
• Numărul atomic - 1;
• Raza atomului = 53 pm;
• Raza covalentă = 32 pm;
• Distribuția electronilor - 1s 1;
• punct de topire = -259,14 °C;
• punctul de fierbere = -252,87 ° C;
• Electronegativitatea (Pauling / Alpred și Rohov) = 2,02 / -;
• Stare de oxidare: +1; 0; -unu;
• Densitatea (n. At.) = 0,0000899 g/cm3;
• Volumul molar = 14,1 cm 3 / mol.

Compuși binari ai hidrogenului cu oxigenul:

Hidrogenul („dând naștere apei”) 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, probabil, hidrogenul este cel mai abundent element din Univers (formează mai mult de jumătate din masa majorității stelelor).

Despre hidrogen putem spune că „bobina este mică, dar scumpă”. În ciuda „simplităţii sale”, hidrogenul dă energie tuturor vieţuitoarelor de pe Pământ - există o reacţie termonucleară continuă la Soare în timpul căreia 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, ia 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 mai des o legătură ionică (vezi legătura ionică), deoarece diferența de electronegativitate a unui atom de hidrogen și a unui atom de metal poate fi destul de mare.

H 2

În stare gazoasă, hidrogenul este sub formă de molecule biatomice, formând o legătură covalentă nepolară.

Moleculele de hidrogen au:

• mobilitate mare;
• durabilitate 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;
• în cantități mici se dizolvă în metale lichide și solide (în special în 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, arătând proprietăţile unui agent reducător;
• la temperatura camerei reacţionează cu fluor (se produce explozia): H 2 + F 2 = 2HF;
• reacţionează cu metalele pentru a forma hidruri, prezentând proprietăţi oxidante: H 2 + Ca = CaH 2;

În compuși, hidrogenul își manifestă proprietățile reducătoare mult mai puternic decât cele oxidante. Hidrogenul este cel mai puternic agent reducător după cărbune, aluminiu și calciu. Proprietățile reducătoare ale hidrogenului sunt utilizate pe scară largă în industrie pentru producerea de metale și nemetale (substanțe simple) din oxizi și galide.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Reacții ale hidrogenului cu substanțe simple

Hidrogenul preia un electron, jucând un rol reductor, în reacții:

• Cu oxigen(la aprindere sau în prezența unui catalizator), în raport de 2: 1 (hidrogen: oxigen), se formează un gaz oxihidrogen 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 mare): 3H 2 0 + N 2 ↔ 2NH 3 +1

Hidrogenul donează un electron, jucând un rol oxidant, în reacții cu alcalinși alcalino-pământos metalele cu formare de hidruri metalice - compuși ionici asemănătoare sărurilor care conțin ioni de hidrură H - sunt substanțe cristaline instabile de culoare albă.

Ca + H 2 = CaH 2 -1 2Na + H 2 0 = 2NaH -1

Este neobișnuit ca hidrogenul să prezinte o stare de oxidare de -1. Reacționând cu apa, hidrurile se descompun, reducând apa la hidrogen. Reacția hidrurii de calciu cu apa este următoarea:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 = 2H 2 0 + 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 în urma reacției hidrogenului cu monoxidul de carbon (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• în reacţiile de hidrogenare, hidrogenul reacţionează cu multe substanţe organice.

Ecuațiile reacțiilor chimice ale hidrogenului și ale compușilor săi sunt considerate mai detaliat pe pagina „Hidrogenul și compușii săi – ecuații ale reacțiilor chimice care implică hidrogen”.

Aplicarea 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;
• temperatura ridicată de ardere a hidrogenului în oxigen (2600 ° C) este utilizată pentru sudarea și tăierea metalelor;
• în producerea unor metale, hidrogenul este utilizat ca agent reducător (vezi mai sus);
• întrucât hidrogenul este un gaz ușor, este folosit în aeronautică ca umplutură pentru baloane, baloane, dirijabile;
• ca combustibil, hidrogenul este folosit în amestec cu CO.

Recent, oamenii de știință au acordat multă atenție găsirii de surse alternative de energie regenerabilă. Una dintre domeniile promițătoare este ingineria energetică „hidrogen”, în care hidrogenul este folosit ca 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: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
• conversia monoxidului de carbon cu abur (t = 500°C) pe catalizatorul 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 prin care se obține hidrogen foarte pur): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:

• acțiunea 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 așchii fierbinți de fier: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Începând să luăm în considerare proprietățile chimice și fizice ale hidrogenului, trebuie remarcat faptul că, în starea sa obișnuită, acest element chimic este sub formă gazoasă. Hidrogenul gazos incolor este inodor și fără gust. Pentru prima dată, acest element chimic a fost numit hidrogen după ce omul de știință A. Lavoisier a efectuat experimente cu apă, în baza cărora, știința mondială a aflat că apa este un lichid multicomponent, care conține hidrogen. Acest eveniment a avut loc în 1787, dar cu mult înainte de acea dată, hidrogenul era cunoscut oamenilor de știință drept „gaz combustibil”.

Hidrogenul în natură

Potrivit oamenilor de știință, hidrogenul este conținut în scoarța terestră și în apă (aproximativ 11,2% din volumul total de apă). Acest gaz face parte din multe minerale pe care omenirea le-a extras din intestinele pământului de secole. Proprietățile hidrogenului sunt parțial caracteristice petrolului, gazelor naturale și argilei, pentru organismele animalelor și plantelor. Dar în forma sa pură, adică necombinat cu alte elemente chimice ale tabelului periodic, acest gaz este extrem de rar în natură. Acest gaz poate fi eliberat la suprafața pământului în timpul erupțiilor vulcanice. Hidrogenul liber este prezent în urme în atmosferă.

Proprietățile chimice ale hidrogenului

Deoarece proprietățile chimice ale hidrogenului nu sunt uniforme, acest element chimic aparține atât grupului I al sistemului Mendeleev, cât și grupului VII al sistemului. Fiind un reprezentant al primului grup, hidrogenul este, de fapt, un metal alcalin, care are o stare de oxidare de +1 la majoritatea compușilor cărora le aparține. Aceeași valență este caracteristică sodiului și altor metale alcaline. Datorită acestor proprietăți chimice, hidrogenul este considerat a fi un element similar acestor metale.

Dacă vorbim despre hidruri metalice, atunci ionul de hidrogen are o valență negativă - starea sa de oxidare este -1. Na + H- este construit în același mod ca și pentru clorura Na + Cl-. Acest fapt este motivul atribuirii hidrogenului grupului VII al sistemului Mendeleev. Hidrogenul, fiind în stare de moleculă, cu condiția să rămână într-un mediu obișnuit, este inactiv, putându-se combina exclusiv cu nemetalele, care sunt mai active pentru acesta. Aceste metale includ fluorul, în prezența luminii, hidrogenul se combină cu clorul. Dacă hidrogenul este încălzit, atunci acesta devine mai activ, intrând în reacții cu multe elemente ale sistemului periodic al lui Mendeleev.

Hidrogenul atomic prezintă mai multe proprietăți chimice active decât hidrogenul molecular. Moleculele de oxigen formează apă - H2 + 1 / 2O2 = H2O. Când hidrogenul interacționează cu halogenii, se formează halogenuri de hidrogen H2 + Cl2 = 2HCl, iar hidrogenul intră în această reacție în absența luminii și la temperaturi negative suficient de ridicate - până la - 252 ° С. Proprietățile chimice ale hidrogenului fac posibilă utilizarea acestuia pentru reducerea multor metale, deoarece, atunci când reacţionează, hidrogenul absoarbe oxigenul din oxizii metalici, de exemplu, CuO + H2 = Cu + H2O. Hidrogenul participă la formarea amoniacului, interacționând cu azotul în reacția 3H2 + N2 = 2NH3, dar cu condiția ca se folosește un catalizator, iar temperatura și presiunea să fie crescute.

O reacție viguroasă are loc atunci când hidrogenul interacționează cu sulful în reacția H2 + S = H2S, rezultatul căreia este hidrogen sulfurat. Interacțiunea hidrogenului cu telurul și seleniul este puțin mai puțin activă. Dacă nu există catalizator, atunci acesta reacționează cu carbon pur, hidrogen numai cu condiția să se creeze temperaturi ridicate. 2H2 + C (amorf) = CH4 (metan). În procesul de activitate a hidrogenului cu unele metale alcaline și alte metale, se obțin hidruri, de exemplu, H2 + 2Li = 2LiH.

Proprietățile fizice ale hidrogenului

Hidrogenul este o substanță chimică foarte ușoară. Cel puțin oamenii de știință spun că în acest moment nu există o substanță mai ușoară decât hidrogenul. Masa sa este de 14,4 ori mai ușoară decât aerul, densitatea sa este de 0,0899 g / l la 0 ° C. La temperaturi de -259,1 ° C, hidrogenul este capabil să se topească - aceasta este o temperatură foarte critică care nu este tipică pentru transformarea majorității compușilor chimici dintr-o stare în alta. Doar un astfel de element precum heliul depășește proprietățile fizice ale hidrogenului în acest sens. Lichefierea hidrogenului este dificilă, deoarece temperatura sa critică este (-240 ° C). Hidrogenul este gazul cel mai generator de căldură cunoscut omenirii. Toate proprietățile descrise mai sus sunt cele mai semnificative proprietăți fizice ale hidrogenului care sunt utilizate de oameni în scopuri specifice. De asemenea, aceste proprietăți sunt cele mai relevante pentru știința modernă.

În tabelul periodic, are locul său definit de poziție, care reflectă proprietățile manifestate de acesta și vorbește despre structura sa electronică. Cu toate acestea, există un atom special printre toate, care ocupă două celule deodată. Este situat în două grupe de elemente care sunt complet opuse în ceea ce privește proprietățile manifestate. Acesta este hidrogen. Aceste caracteristici îl fac unic.

Hidrogenul nu este doar un element, ci și o substanță simplă, precum și o componentă a multor compuși complecși, un element biogen și organogen. Prin urmare, vom lua 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 tabelul periodic.

1. Numărul ordinal de hidrogen 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.
2. Faptul că conține doar un electron la exterior îi permite să prezinte cu succes atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare. În plus, după donarea unui electron, are un orbital liber, care participă la formarea legăturilor chimice prin mecanismul donor-acceptor.
3. Hidrogenul este un agent reducător puternic. Prin urmare, locul său principal este considerat primul grup al subgrupului principal, unde este condus de cele mai active metale - alcaline.
4. Cu toate acestea, atunci când interacționează cu agenți reducători puternici, cum ar fi, de exemplu, metale, poate fi, de asemenea, un agent de oxidare, acceptând un electron. Acești compuși se numesc hidruri. Pe această bază, el conduce subgrupul de halogeni cu care se aseamănă.
5. Datorită masei sale atomice foarte mici, hidrogenul este considerat cel mai ușor element. În plus, densitatea sa este și foarte mică, motiv pentru care este și reperul pentru ușurință.

Astfel, este evident că atomul de hidrogen este 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 spus că este diatomic. Adică hidrogenul (o substanță simplă) este un gaz. Formula sa empirică va fi scrisă ca H 2, iar formula sa grafică - printr-o singură relație sigma H-H. Mecanismul de formare a legăturilor între atomi este covalent nepolar.

1. Reformarea cu abur a metanului.
2. Gazeificarea cărbunelui - procesul presupune încălzirea cărbunelui la 1000 0 C, rezultând formarea hidrogenului și a cărbunelui cu conținut ridicat de carbon.
3. Electroliză. Această metodă poate fi utilizată numai pentru soluții apoase de diferite săruri, deoarece topiturile nu duc la descărcarea apei la catod.

Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:

1. Hidroliza hidrurilor metalice.
2. Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor active și activitate medie.
3. Interacțiunea metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apa.

Pentru a colecta hidrogenul generat, tubul trebuie ținut cu capul 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 și explodează în cantități mari atunci când este amestecat cu aer. Prin urmare, tubul ar trebui să fie inversat. 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 tern și liniștit, atunci 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 arde, se eliberează atât de multă 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 ale sintezei hidrogenului pur, care ar fi potrivit pentru utilizare ca combustibil în reactoare, motoare și dispozitive portabile, precum și pentru încălzirea cazanelor din clădirile rezidențiale.

La urma urmei, metodele de obținere a acestui gaz sunt destul de costisitoare, prin urmare, mai întâi este necesar să se dezvolte o metodă specială de sinteză. Una care vă va permite să obțineți un produs în cantități mari și la costuri minime.

Există mai multe domenii principale în care gazul pe care îl luăm în considerare își găsește aplicație.

1. Sinteze chimice. Hidrogenarea produce săpunuri, margarine și materiale plastice. Cu participarea hidrogenului, metanolul și amoniacul, precum și alți compuși, sunt sintetizați.
2. În industria alimentară - ca aditiv E949.
3. Industria aviației (rachete, construcții de avioane).
4. Industria energiei electrice.
5. Meteorologie.
6. Combustibil ecologic.

Evident, hidrogenul este la fel de important ca și 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.

1. Halogenuri de hidrogen. Formula generală este HHal. Printre acestea, clorura de hidrogen are o importanță deosebită. 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 ca producție din țara noastră în fiecare an. Halogenurile de hidrogen includ, de asemenea, iodură de hidrogen, fluorură de hidrogen și bromură de hidrogen. Toate formează acizii corespunzători.
2. Volatile Aproape toate sunt gaze destul de otrăvitoare. De exemplu, hidrogen sulfurat, metan, silan, fosfină și altele. În plus, este foarte inflamabil.
3. Hidrurile sunt compuși cu metale. Ele aparțin clasei sărurilor.
4. Hidroxizi: baze, acizi și compuși amfoteri. Ei includ în mod necesar atomi de hidrogen, unul sau mai mulți. Exemplu: NaOH, K2, H2SO4 şi altele.
5. 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.
6. Apă oxigenată. Este cel mai puternic agent oxidant, a cărui formulă este Н 2 О 2.
7. 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 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, legați prin legături polare covalente. Molecula de apă este un dipol, ceea ce explică multe dintre proprietățile sale. 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 cu ajutorul oxidului 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).

Există trei tipuri de apă, în funcție de izotopul de hidrogen care face parte din moleculă.

1. Ușoare sau protium. Un izotop cu număr de masă 1. Formula - H 2 O. Aceasta este o formă comună pe care o folosesc toate organismele.
2. Deuteriu sau greu, formula sa este D 2 O. Contine izotopul 2 H.
3. Super grele sau tritiu. Formula arată ca T 3 O, izotopul este 3 N.

Rezervele de apă proaspătă protium de pe planetă sunt foarte importante. Deja acum, în multe țări, este o lipsă. Se dezvoltă metode de tratare a apei sărate în vederea obținerii apei potabile.

Peroxidul de hidrogen este un remediu versatil

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 se folosește pentru tratarea rănilor mici pentru a le dezinfecta. Cu toate acestea, s-a dovedit că în acest caz, vindecarea rănilor crește în timp.

Peroxidul de hidrogen este folosit și în combustibilul pentru rachete, în industrie pentru dezinfecție și albire, ca agent de spumare pentru obținerea materialelor adecvate (spumă, de exemplu). În plus, peroxidul ajută la curățarea acvariilor, la decolorarea părului și la albirea dinților. Cu toate acestea, în același timp dăunează țesuturilor, prin urmare, nu este recomandat de specialiști în aceste scopuri.

Hidrogenul este un gaz, el este cel care se află pe primul loc în Tabelul Periodic. Numele acestui element, larg răspândit în natură, este tradus din latină ca „generator de apă”. Deci, care sunt proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului pe care le cunoaștem?

Hidrogen: informații generale

În condiții normale, hidrogenul este insipid, inodor și incolor.

Orez. 1. Formula hidrogenului.

Deoarece un atom are un nivel electronic de energie, la care pot fi localizați maximum doi electroni, atunci pentru o stare de echilibru un atom poate atât accepta un electron (starea de oxidare -1) cât și dona un electron (starea de oxidare +1), prezentând valență constantă I De aceea simbolul elementului hidrogen este plasat nu numai în grupul IA (subgrupul principal al grupului I) împreună cu metalele alcaline, ci și în grupul VIIA (subgrupul principal al grupului VII) împreună. cu halogenii. De asemenea, atomilor de halogen le lipsește un electron pentru a umple nivelul exterior și, ca și hidrogenul, sunt nemetale. Hidrogenul prezintă o stare de oxidare pozitivă în compuși, unde este asociat cu mai multe elemente nemetalice electronegative, și o stare de oxidare negativă în compușii cu metale.

Orez. 2. Localizarea hidrogenului în tabelul periodic.

Hidrogenul are trei izotopi, fiecare având propriul nume: protiu, deuteriu, tritiu. Numărul acestora din urmă pe Pământ este neglijabil.

Proprietățile chimice ale hidrogenului

Într-o substanță simplă H 2, legătura dintre atomi este puternică (energie de legare 436 kJ/mol), deci activitatea hidrogenului molecular este scăzută. În condiții normale, interacționează numai cu metale foarte active, iar singurul nemetal cu care hidrogenul reacționează este fluorul:

F2 + H2 = 2HF (fluorura de hidrogen)

Hidrogenul reacționează cu alte substanțe simple (metale și nemetale) și complexe (oxizi, compuși organici nedefiniti) fie la iradiere și la creșterea temperaturii, fie în prezența unui catalizator.

Hidrogenul arde în oxigen cu eliberarea unei cantități semnificative de căldură:

2H2 + O2 = 2H2O

Un amestec de hidrogen cu oxigen (2 volume de hidrogen și 1 volum de oxigen), atunci când este aprins, explodează puternic și de aceea se numește gaz detonant. Când lucrați cu hidrogen, trebuie respectate regulile de siguranță.

Orez. 3. Oxihidrogen gazos.

În prezența catalizatorilor, gazul poate reacționa cu azotul:

3H2 + N2 = 2NH3

- conform acestei reactii la temperaturi si presiuni ridicate se obtine amoniacul in industrie.

În condiții de temperatură ridicată, hidrogenul este capabil să reacționeze cu sulful, seleniul, telurul. iar la interacțiunea cu metale alcaline și alcalino-pământoase se formează hidruri: 4.3. Evaluări totale primite: 152.

Metodele industriale de obținere a substanțelor simple depind de forma în care se găsește elementul corespunzător în natură, adică care pot fi materiile prime pentru producerea acestuia. Deci, oxigenul, care este disponibil în stare liberă, este obținut printr-o metodă fizică - prin separare de aerul lichid. Aproape tot hidrogenul este sub formă de compuși, prin urmare, pentru obținerea acestuia se folosesc metode chimice. În special, pot fi utilizate reacții de descompunere. Una dintre metodele de producere a hidrogenului este reacția de descompunere a apei prin curent electric.

Principala metodă industrială de producere a hidrogenului este reacția metanului cu apa, care face parte din gazul natural. Se efectuează la o temperatură ridicată (este ușor să vă asigurați că nu are loc nicio reacție atunci când metanul este trecut chiar și prin apă clocotită):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

In laborator, pentru a obtine substante simple, nu este necesar sa se foloseasca materii prime naturale, ci sa se selecteze acele materii prime din care este mai usor sa se izoleze substanta necesara. De exemplu, într-un laborator, oxigenul nu se obține din aer. Același lucru este valabil și pentru producția de hidrogen. Una dintre metodele de laborator pentru producerea hidrogenului, care este uneori folosită în industrie, este descompunerea apei prin curent electric.

De obicei, în laborator, hidrogenul este produs prin interacțiunea zincului cu acidul clorhidric.

În industrie

1.Electroliza soluțiilor apoase de săruri:

2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + CI2

2.Trecerea vaporilor de apă peste cocs fierbinte la o temperatură de aproximativ 1000 ° C:

H2O + C ⇄ H2 + CO

3.Gaz natural.

Conversia aburului: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 ° C) Oxidare catalitică cu oxigen: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Cracarea și reformarea hidrocarburilor în procesul de rafinare a petrolului.

In laborator

1.Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor. Pentru a efectua o astfel de reacție, zincul și acidul clorhidric sunt cel mai adesea utilizate:

Zn + 2HCI → ZnCl2 + H2

2.Interacțiunea calciului cu apa:

Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2

3.Hidroliza hidrurilor:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.Acțiunea alcalinelor asupra zincului sau aluminiului:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Prin electroliză.În timpul electrolizei soluțiilor apoase de alcalii sau acizi, hidrogenul este dezvoltat la catod, de exemplu:

2H3O + + 2e - → H2 + 2H2O

• Bioreactor pentru producerea hidrogenului

Proprietăți fizice

Hidrogenul gazos poate exista sub două forme (modificări) - sub formă de orto - și para-hidrogen.

Într-o moleculă de ortohidrogen (p.t. -259,10 ° C, bp b. -252,89 ° C) - opus unul față de celălalt (antiparalel).

Formele alotrope ale hidrogenului pot fi separate prin adsorbție pe cărbune activ la temperatura azotului lichid. La temperaturi foarte scăzute, echilibrul dintre ortohidrogen și parahidrogen este aproape în întregime mutat către acesta din urmă. La 80 K, raportul formelor este de aproximativ 1: 1. Parahidrogenul desorbit la încălzire este transformat în ortohidrogen până când se formează un echilibru de amestec la temperatura camerei (orto-pereche: 75:25). Fără catalizator, transformarea este lentă, ceea ce face posibilă studierea proprietăților formelor alotrope individuale. Molecula de hidrogen este diatomică - Н₂. În condiții normale, este un gaz incolor, inodor și fără gust. Hidrogenul este cel mai ușor gaz, densitatea lui este de multe ori mai mică decât cea a aerului. Evident, cu cât masa moleculelor este mai mică, cu atât viteza lor este mai mare la aceeași temperatură. Fiind cele mai ușoare, moleculele de hidrogen se mișcă mai repede decât moleculele oricărui alt gaz și, astfel, pot transfera căldura mai repede de la un corp la altul. Rezultă că hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică dintre substanțele gazoase. Conductivitatea sa termică este de aproximativ șapte ori mai mare decât conductibilitatea termică a aerului.

Proprietăți chimice

Moleculele de hidrogen H₂ sunt destul de puternice și, pentru ca hidrogenul să reacționeze, trebuie cheltuită multă energie: H 2 = 2H - 432 kJ Prin urmare, la temperaturi obișnuite, hidrogenul reacționează numai cu metale foarte active, de exemplu, cu calciul, formând hidrură de calciu: Ca + H 2 = CaH 2 și cu singurul nemetal - fluor, formând acid fluorhidric: F 2 + H 2 = 2HF Cu majoritatea metalelor și nemetalelor, hidrogenul reacționează la temperaturi ridicate sau sub o altă acțiune, de exemplu, sub iluminare. Poate „lua” oxigen din unii oxizi, de exemplu: CuO + Н 2 = Cu + Н 2 0 Ecuația scrisă reflectă reacția de reducere. Reacțiile de reducere se numesc procese în urma cărora oxigenul este îndepărtat din compus; substanțele care iau oxigen se numesc agenți reducători (în timp ce ei înșiși sunt oxidați). Mai departe, va fi dată o altă definiție a conceptelor „oxidare” și „reducere”. Și această definiție, prima din punct de vedere istoric, își păstrează semnificația în prezent, mai ales în chimia organică. Reacția de reducere este opusă reacției de oxidare. Ambele reacții au loc întotdeauna simultan ca un proces: în timpul oxidării (reducerii) unei substanțe, reducerea (oxidarea) celeilalte trebuie să aibă loc în mod necesar simultan.

N2 + 3H2 → 2NH3

Forme cu halogeni halogenuri de hidrogen:

F 2 + H 2 → 2 HF, reacția se desfășoară cu o explozie în întuneric și la orice temperatură, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reacția se desfășoară cu o explozie, numai în lumină.

Reacționează cu funingine la încălzire puternică:

C + 2H2 → CH4

Interacțiune cu metale alcaline și alcalino-pământoase

Hidrogenul se formează cu metale active hidruri:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

Hidruri- substante sarate, solide, usor hidrolizabile:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH)2 + 2H2

Interacțiunea cu oxizii metalici (de obicei elemente d)

Oxizii se reduc la metale:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenarea compușilor organici

Când hidrogenul acționează asupra hidrocarburilor nesaturate în prezența unui catalizator de nichel și a unei temperaturi ridicate, are loc o reacție. hidrogenare:

CH2 = CH2 + H2 → CH3-CH3

Hidrogenul reduce aldehidele la alcooli:

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

Geochimia hidrogenului

Hidrogenul este elementul de bază al universului. Este cel mai comun element și toate elementele sunt formate din acesta ca urmare a reacțiilor termonucleare și nucleare.

Hidrogenul liber H 2 este relativ rar în gazele terestre, dar sub formă de apă joacă un rol extrem de important în procesele geochimice.

Hidrogenul poate face parte din minerale sub formă de ion de amoniu, ion hidroxil și apă cristalină.

În atmosferă, hidrogenul este produs continuu prin descompunerea apei prin radiația solară. Migrează în atmosfera superioară și evadează în spațiu.

Aplicație

• Energia hidrogenului

Hidrogenul atomic este utilizat pentru sudarea cu hidrogen atomic.

În industria alimentară, hidrogenul este înregistrat ca aditiv alimentar E949 precum ambalarea gazului.

Caracteristicile tratamentului

Când este amestecat cu aer, hidrogenul formează un amestec exploziv - așa-numitul gaz exploziv. Acest gaz este cel mai exploziv atunci când raportul volumetric dintre hidrogen și oxigen este de 2: 1, sau hidrogen și aer este de aproximativ 2: 5, deoarece aerul conține aproximativ 21% oxigen. Hidrogenul este, de asemenea, periculos de incendiu. Hidrogenul lichid poate provoca degerături severe dacă intră în contact cu pielea.

Concentrațiile explozive de hidrogen cu oxigen cresc de la 4% la 96% în volum. Când este amestecat cu aer de la 4% la 75 (74)% din volum.

Utilizarea hidrogenului

În industria chimică, hidrogenul este utilizat în producția de amoniac, săpun și materiale plastice. În industria alimentară, margarina este făcută din uleiuri vegetale lichide folosind hidrogen. Hidrogenul este foarte ușor și se ridică mereu în aer. Odată, dirijabilele și baloanele au fost umplute cu hidrogen. Dar în anii 30. secolul XX au avut loc mai multe dezastre îngrozitoare când dirijabilele au explodat și au ars. În zilele noastre, dirijabilele sunt pline cu gaz heliu. Hidrogenul este folosit și ca combustibil pentru rachete. Hidrogenul poate fi într-o zi folosit pe scară largă ca combustibil pentru mașini și camioane. Motoarele cu hidrogen nu poluează mediul și emit doar vapori de apă (deși producerea de hidrogen în sine duce la o anumită poluare a mediului). Soarele nostru este în mare parte format din hidrogen. Căldura solară și lumina sunt rezultatul eliberării de energie nucleară din fuziunea nucleelor ​​de hidrogen.

Utilizarea hidrogenului ca combustibil (eficiență economică)

Cea mai importantă caracteristică a substanțelor folosite drept combustibil este puterea lor calorică. Din cursul de chimie generală se știe că reacția de interacțiune a hidrogenului cu oxigenul are loc cu degajarea de căldură. Dacă luăm 1 mol de H 2 (2 g) și 0,5 mol de O 2 (16 g) în condiții standard și începem o reacție, atunci conform ecuației

H2 + 0,5 O2 = H2O

după terminarea reacției, se formează 1 mol de H 2 O (18 g) cu o eliberare de energie de 285,8 kJ / mol (pentru comparație: căldura de ardere a acetilenei este de 1300 kJ / mol, propanul este de 2200 kJ / mol ). 1 m³ de hidrogen cântărește 89,8 g (44,9 mol). Prin urmare, pentru a obține 1 m³ de hidrogen, se vor cheltui 12832,4 kJ de energie. Ținând cont că 1 kWh = 3600 kJ, obținem 3,56 kWh de energie electrică. Cunoscând tariful pentru 1 kWh de energie electrică și costul a 1 m³ de gaz, se poate concluziona că este indicat să treceți la combustibil hidrogen.

De exemplu, un model experimental Honda FCX din a 3-a generație cu un rezervor de hidrogen de 156 litri (conține 3,12 kg de hidrogen la o presiune de 25 MPa) parcurge 355 km. În consecință, din 3,12 kg de H2 se obțin 123,8 kWh. Consumul de energie la 100 km va fi de 36,97 kWh. Cunoscând costul energiei electrice, costul gazului sau al benzinei, consumul acestora pentru o mașină la 100 km, este ușor de calculat efectul economic negativ al trecerii mașinilor la combustibil cu hidrogen. Să spunem (Rusia 2008), 10 cenți per kWh de energie electrică duce la faptul că 1 m³ de hidrogen duce la un preț de 35,6 cenți și ținând cont de eficiența descompunerii apei de 40-45 de cenți, aceeași cantitate de kWh din arderea benzinei costă 12832.4kJ / 42000kJ / 0.7kg / l * 80 cenți / l = 34 cenți la prețurile de vânzare cu amănuntul, în timp ce pentru hidrogen am calculat varianta ideală, excluzând transportul, amortizarea echipamentelor etc. Pentru metanul cu o energie de ardere de cca. 39 MJ pe m³, rezultatul va fi de două până la patru ori mai mic datorită diferenței de preț (1m³ pentru Ucraina costă 179 USD, iar pentru Europa 350 USD). Adică, cantitatea echivalentă de metan va costa 10-20 de cenți.

Totuși, nu trebuie să uităm că atunci când hidrogenul este ars, obținem apă pură, din care a fost extrasă. Adică avem o energie regenerabilă depozit energie fără a dăuna mediului, spre deosebire de gaz sau benzină, care sunt sursele primare de energie.

Php pe linia 377 Avertisment: necesită (http: //www..php): fluxul nu s-a deschis: nu a putut fi găsit niciun wrapper potrivit în /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php pe linia 377 Fatal eroare: require (): Este necesară deschiderea eșuată „http: //www..php” (include_path = „.. php pe linia 377