Începând să luăm în considerare proprietățile chimice și fizice ale hidrogenului, trebuie remarcat faptul că, în starea obișnuită, acest element chimic este în formă gazoasă. Hidrogenul gazos incolor este inodor și fără gust. Pentru prima dată, acest element chimic a fost numit hidrogen după ce savantul A. Lavoisier a efectuat experimente cu apă, în baza cărora, știința mondială a aflat că apa este un lichid multicomponent, care include Hidrogen. Acest eveniment a avut loc în 1787, dar cu mult înainte de această dată, hidrogenul era cunoscut oamenilor de știință sub numele de „gaz combustibil”.
Hidrogenul în natură
Potrivit oamenilor de știință, hidrogenul se găsește 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. În parte, proprietățile hidrogenului sunt caracteristice petrolului, gazelor naturale și argilei, pentru organismele animale și vegetale. 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 scăpa 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 în majoritatea compușilor în care este inclus. Aceeași valență este caracteristică sodiului și altor metale alcaline. Având în vedere aceste 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 clorura Na + Cl-. Acest fapt este motivul atribuirii hidrogenului grupei VII a sistemului Mendeleev. Hidrogenul, aflându-se în stare de moleculă, cu condiția să fie într-un mediu obișnuit, este inactiv și se poate combina doar cu nemetale care sunt mai active pentru acesta. Astfel de metale includ fluorul, în prezența luminii, hidrogenul se combină cu clorul. Dacă hidrogenul este încălzit, acesta devine mai activ, reacționând 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 ° C. Proprietățile chimice ale hidrogenului fac posibilă utilizarea acestuia pentru reducerea multor metale, deoarece, atunci când reacționează, hidrogenul absoarbe oxigenul din oxizii metalici, de exemplu, CuO + H2 = Cu + H2O. Hidrogenul este implicat în formarea amoniacului, interacționând cu azotul în reacția 3H2 + N2 = 2NH3, dar cu condiția ca un catalizator să fie folosit, iar temperatura și presiunea să fie crescute.
O reacție energetică are loc atunci când hidrogenul interacționează cu sulful în reacția H2 + S = H2S, din care rezultă 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 susțin 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 cel mai generator de căldură dintre toate gazele cunoscute de omenire. Toate proprietățile descrise mai sus sunt cele mai semnificative proprietăți fizice ale hidrogenului care sunt utilizate de om în scopuri specifice. De asemenea, aceste proprietăți sunt cele mai relevante pentru știința modernă.
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 alt tip. Este inclusă în cea mai importantă și vitală conexiune de pe planetă - apa. O trăsătură distinctivă a hidrogenului este, de asemenea, că este primul element din sistemul periodic de elemente chimice al lui D. I. Mendeleev.
Descoperire și explorare
Primele referiri la hidrogen din scrierile lui Paracelsus datează din secolul al XVI-lea. Dar izolarea sa de amestecul gazos al aerului și studiul proprietăților combustibile au fost deja făcute în secolul al XVII-lea de către omul de știință Lemery. Hidrogenul a fost studiat amănunțit de un chimist, fizician și naturalist 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 „născând apă”.
Caracteristic după poziţia în PSCE
Elementul care deschide tabelul periodic al lui D. I. Mendeleev este hidrogenul. Proprietățile fizice și chimice ale atomului prezintă o oarecare dualitate, deoarece hidrogenul este atribuit simultan primului grup, subgrupului principal, dacă se comportă ca un metal și cedează un singur electron în procesul unei reacții chimice și al șaptelea - în cazul umplerii complete a învelișului de valență, adică particule negative de recepție, care o caracterizează ca fiind similară cu halogenii.
Caracteristicile structurii electronice a elementului
Proprietățile substanțelor complexe în care este inclus și cea mai simplă substanță H 2 sunt determinate în primul rând de configurația electronică a hidrogenului. Particula are un electron cu Z= (-1), care se rotește pe orbita sa în jurul nucleului, conținând un proton cu unitatea de masă și 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.
Atunci când un electron este desprins sau dat departe, iar un atom al acestui element are o asemenea proprietate încât este înrudit cu metalele, se obține un cation. De fapt, ionul de hidrogen este o particulă elementară pozitivă. Prin urmare, un hidrogen lipsit de electron se numește pur și simplu proton.
Proprietăți fizice
Descriind pe scurt hidrogenul, este un gaz incolor, ușor solubil, cu o masă atomică relativă de 2, de 14,5 ori mai ușoară decât aerul, cu o temperatură de lichefiere de -252,8 grade Celsius.
Din experiență se poate observa cu ușurință că H2 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 care se umple cu CO 2 va ajunge la sol mai repede decât oricine, după care va cădea umflat cu un amestec de aer, 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 prin diferite substanțe. Pe exemplul aceleiași mingi, acest lucru este ușor de verificat, în câteva zile se va dezumfla, deoarece gazul va trece pur și simplu prin cauciuc. De asemenea, hidrogenul se poate acumula 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 metoda deplasării hidrogenului (tabelul de mai jos conține principalii parametri) determină 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. y. | 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 care au o proprietate similară sunt oxigenul, carbonul, clorul, bromul și alții, inclusiv cei radioactivi.
Proprietățile fizice ale hidrogenului 1 H, cel mai comun dintre reprezentanții acestui grup, diferă semnificativ de aceleași caracteristici ale omologilor săi. În special, caracteristicile substanțelor în care sunt incluse diferă. Deci, există apă obișnuită și deuteră, care conține în compoziția sa 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 fundamentală în proprietățile compușilor pe care îi alcătuiesc. În natură, deuteriul este de 3200 de ori mai rar decât hidrogenul. Al treilea reprezentant este tritiul 3 H, în nucleu are doi neutroni și un proton.
Metode de obținere și izolare
Metodele de laborator și cele industriale sunt foarte diferite. Deci, în cantități mici, gazul se obține în principal prin reacții în care sunt implicate minerale, iar producția pe scară largă folosește într-o măsură mai mare sinteza organică.
Următoarele interacțiuni chimice sunt utilizate în laborator:
În interes industrial, gazul se obține prin metode precum:
- Descompunerea termică a metanului în prezența unui catalizator la substanțele sale simple constitutive (350 de grade atinge valoarea unui astfel de indicator precum temperatura) - hidrogen H 2 și carbon C.
- Trecerea apei vaporoase prin cocs la 1000 de grade Celsius cu formarea de dioxid de carbon CO 2 și H 2 (cea mai comună metodă).
- Transformarea metanului gazos pe un catalizator de nichel la o temperatură care atinge 800 de grade.
- Hidrogenul este un produs secundar în 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 unul sau altul compus. Valența hidrogenului este 1, deoarece este situat în primul grup din tabelul periodic, iar gradul de oxidare arată unul diferit. În toți compușii, cu excepția hidrurilor, hidrogenul în s.o. = (1+), în molecule precum XH, XH 2, XH 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 intră în reacții atunci când se schimbă condițiile normale. În funcție de gradul de oxidare a 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:
- Obținerea gazului de sinteză din monoxid de carbon și hidrogen.
- Recuperarea metalelor din oxizii lor cu H 2 .
- Saturația cu hidrogen a hidrocarburilor alifatice nesaturate.
legătură de hidrogen
Proprietățile fizice ale hidrogenului sunt astfel încât, atunci când este combinat cu un element electronegativ, îi permite să formeze un tip special de legătură cu același atom din moleculele vecine care au perechi de electroni neîmpărțiți (de exemplu, oxigen, azot și fluor). Cel mai clar exemplu pe care este mai bine să luăm în considerare un astfel de 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 efect 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 compoziția compușilor 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 se desprinde de restul acidului din ce în ce mai greu. În funcție de conținutul cantitativ de hidrogeni din mediu, se determină aciditatea acestuia.
Aplicare în activitățile umane
Cilindrii cu o substanță, precum și recipientele cu alte gaze lichefiate, cum ar fi oxigenul, au un aspect specific. Sunt vopsite în verde închis cu o inscripție roșu strălucitor „Hydrogen”. 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. amestecate 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 (hafniu, germaniu, galiu, siliciu, molibden, wolfram, zirconiu și altele) din oxizi, 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.
Am determinat proprietățile chimice și utilizarea hidrogenului în diferite procese de hidrogenare și hidrogenare a grăsimilor, cărbunilor, hidrocarburilor, uleiurilor și păcurului. Cu ajutorul acestuia se produc pietre prețioase, lămpi cu incandescență, produse metalice sunt forjate și sudate sub influența unei flăcări de oxigen-hidrogen.
Să aruncăm o privire la ce este hidrogenul. Proprietățile chimice și producția acestui nemetal sunt studiate în cursul chimiei anorganice la școală. Acesta este elementul care conduce sistemul periodic al lui Mendeleev și, prin urmare, merită o descriere detaliată.
Informații scurte despre deschiderea unui element
Înainte de a lua în considerare proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului, să aflăm cum a fost găsit acest element important.
Chimiștii care au lucrat în secolele al XVI-lea și al XVII-lea au menționat în mod repetat în scrierile lor gazul combustibil care se eliberează atunci când acizii sunt expuși la metale active. În a doua jumătate a secolului al XVIII-lea, G. Cavendish a reușit să colecteze și să analizeze acest gaz, dându-i denumirea de „gaz combustibil”.
Proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului nu au fost studiate la acea vreme. Abia la sfârşitul secolului al XVIII-lea, A. Lavoisier a reuşit să stabilească prin analiză că acest gaz poate fi obţinut prin analiza apei. Puțin mai târziu, a început să numească noul element hidrogen, care înseamnă „a naște apă”. Hidrogenul își datorează numele modern rusesc lui M.F. Solovyov.
Fiind în natură
Proprietățile chimice ale hidrogenului pot fi analizate doar pe baza abundenței sale în natură. Acest element este prezent în hidro- și litosferă și face parte și din minerale: gaze naturale și asociate, turbă, petrol, cărbune, șisturi bituminoase. Este greu de imaginat un adult care nu ar ști că hidrogenul este o parte integrantă a apei.
În plus, acest nemetal se găsește în organismele animale sub formă de acizi nucleici, proteine, carbohidrați și grăsimi. Pe planeta noastră, acest element se găsește în formă liberă destul de rar, poate doar în gazele naturale și vulcanice.
Sub formă de plasmă, hidrogenul reprezintă aproximativ jumătate din masa stelelor și a Soarelui și face, de asemenea, parte din gazul interstelar. De exemplu, sub formă liberă, precum și sub formă de metan, amoniac, acest nemetal este prezent în comete și chiar în unele planete.
Proprietăți fizice
Înainte de a lua în considerare proprietățile chimice ale hidrogenului, observăm că în condiții normale este o substanță gazoasă mai ușoară decât aerul, având mai multe forme izotopice. Este aproape insolubil în apă și are o conductivitate termică ridicată. Protium, care are un număr de masă de 1, este considerată forma sa cea mai ușoară. Tritiul, care are proprietăți radioactive, se formează în natură din azotul atmosferic atunci când neuronii îl expun la razele UV.
Caracteristicile structurii moleculei
Pentru a lua în considerare proprietățile chimice ale hidrogenului, reacțiile caracteristice acestuia, să ne oprim asupra caracteristicilor structurii sale. Această moleculă diatomică are o legătură chimică covalentă nepolară. Formarea hidrogenului atomic este posibilă atunci când metalele active interacționează cu soluțiile acide. Dar în această formă, acest nemetal este capabil să existe doar pentru o perioadă de timp nesemnificativă, aproape imediat se recombină într-o formă moleculară.
Proprietăți chimice
Luați în considerare proprietățile chimice ale hidrogenului. În majoritatea compușilor pe care îi formează acest element chimic, acesta prezintă o stare de oxidare de +1, ceea ce îl face similar cu metalele active (alcaline). Principalele proprietăți chimice ale hidrogenului, care îl caracterizează ca metal:
- interacțiunea cu oxigenul pentru a forma apă;
- reacție cu halogeni, însoțită de formarea de halogenuri de hidrogen;
- producerea de hidrogen sulfurat atunci când este combinată cu sulf.
Mai jos este ecuația reacției care caracterizează proprietățile chimice ale hidrogenului. Atragem atenția că, ca nemetal (cu o stare de oxidare de -1), acesta acționează numai în reacția cu metalele active, formând hidrurile corespunzătoare cu acestea.
Hidrogenul la temperatura obișnuită nu interacționează activ cu alte substanțe, astfel încât majoritatea reacțiilor sunt efectuate numai după preîncălzire.
Să ne oprim mai în detaliu asupra unor interacțiuni chimice ale elementului care conduce sistemul periodic de elemente chimice al lui Mendeleev.
Reacția de formare a apei este însoțită de eliberarea a 285,937 kJ de energie. La temperaturi ridicate (mai mult de 550 de grade Celsius), acest proces este însoțit de o explozie puternică.
Printre acele proprietăți chimice ale hidrogenului gazos care și-au găsit aplicații semnificative în industrie, este de interes interacțiunea acestuia cu oxizii metalici. Prin hidrogenarea catalitică în industria modernă sunt procesați oxizii metalici, de exemplu, metalul pur este izolat din sol de fier (oxid de fier mixt). Această metodă permite prelucrarea eficientă a fierului vechi.
Sinteza amoniacului, care implică interacțiunea hidrogenului cu azotul atmosferic, este, de asemenea, solicitată în industria chimică modernă. Printre condițiile pentru apariția acestei interacțiuni chimice, notăm presiunea și temperatura.
Concluzie
Este hidrogenul care este o substanță chimică inactivă în condiții normale. Pe măsură ce temperatura crește, activitatea sa crește semnificativ. Această substanță este solicitată în sinteza organică. De exemplu, prin hidrogenare, cetonele pot fi reduse la alcooli secundari, iar aldehidele pot fi transformate în alcooli primari. În plus, prin hidrogenare, hidrocarburile nesaturate din clasele etilenă și acetilenă pot fi transformate în compuși saturați din seria metanului. Hidrogenul este considerat pe bună dreptate o substanță simplă solicitată în producția chimică modernă.
Hidrogenul este o substanță simplă H 2 (dihidrogen, diproțiu, hidrogen ușor).
Scurt caracterizarea hidrogenului:
- Metaloid.
- Un gaz incolor greu de lichefiat.
- Puțin solubil în apă.
- Mai bine solubil în solvenți organici.
- Chimisorbite de metale: fier, nichel, platină, paladiu.
- Agent reducător puternic.
- Interacționează (la temperaturi ridicate) cu nemetale, metale, oxizi de metal.
- Hidrogenul atomic H 0 obţinut prin descompunerea termică a H 2 are cea mai mare capacitate de reducere.
- Izotopi de hidrogen:
- 1 H - protiu
- 2 H - deuteriu (D)
- 3 H - tritiu (T)
- Greutate moleculară relativă = 2,016
- Densitatea relativă a hidrogenului solid (t=-260°C) = 0,08667
- Densitatea relativă a hidrogenului lichid (t=-253°C) = 0,07108
- Suprapresiune (n.o.) = 0,08988 g/l
- punct de topire = -259,19°C
- punctul de fierbere = -252,87°C
- Coeficientul volumetric de solubilitate al hidrogenului:
- (t=0°C) = 2,15;
- (t=20°C) = 1,82;
- (t=60°C) = 1,60;
1. Descompunerea termică a hidrogenului(t=2000-3500°C):
H2↔2H0
2. Interacțiunea hidrogenului cu nemetale:
- H2 +F2 = 2HF (t=-250..+20°C)
- H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl (atunci când este ars sau expus la lumină la temperatura camerei):
- Cl 2 \u003d 2Cl 0
- Cl 0 + H 2 \u003d HCl + H 0
- H 0 + Cl 2 \u003d HCl + Cl 0
- H 2 +Br 2 \u003d 2HBr (t \u003d 350-500 ° C, catalizator de platină)
- H 2 + I 2 \u003d 2HI (t \u003d 350-500 ° C, catalizator de platină)
- H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O:
- H 2 + O 2 \u003d 2OH 0
- OH 0 + H 2 \u003d H 2 O + H 0
- H 0 + O 2 \u003d OH 0 + O 0
- O 0 + H 2 \u003d OH 0 + H 0
- H2 +S = H2S (t=150..200°C)
- 3H 2 +N 2 \u003d 2NH 3 (t \u003d 500 ° C, catalizator de fier)
- 2H 2 + C (cocs) \u003d CH 4 (t \u003d 600 ° C, catalizator de platină)
- H2 +2C (cocs) = C2H2 (t=1500..2000°C)
- H 2 + 2C (cocs) + N 2 \u003d 2HCN (t peste 1800 ° C)
3. Interacțiunea hidrogenului cu substanțe complexe:
- 4H 2 + (Fe II Fe 2 III) O 4 \u003d 3Fe + 4H 2 O (t mai mult de 570 ° C)
- H 2 + Ag 2 SO 4 \u003d 2Ag + H 2 SO 4 (t peste 200 ° C)
- 4H 2 + 2Na 2 SO 4 \u003d Na 2 S + 4H 2 O (t \u003d 550-600 ° C, catalizator Fe 2 O 3)
- 3H 2 + 2BCl 3 \u003d 2B + 6HCl (t \u003d 800-1200 ° C)
- H 2 + 2EuCl 3 \u003d 2EuCl 2 + 2HCl (t \u003d 270 ° C)
- 4H 2 +CO 2 \u003d CH 4 + 2H 2 O (t \u003d 200 ° C, catalizator CuO 2)
- H 2 + CaC 2 \u003d Ca + C 2 H 2 (t peste 2200 ° C)
- H 2 + BaH 2 \u003d Ba (H 2) 2 (t până la 0 ° C, soluție)
4. Participarea hidrogenului în reacții redox:
- 2H 0 (Zn, dil. HCl) + KNO 3 \u003d KNO 2 + H 2 O
- 8H0 (Al, conc. KOH) + KNO3 = NH3 +KOH + 2H2O
- 2H 0 (Zn, dil. HCl) + EuCl 3 \u003d 2EuCl 2 + 2HCl
- 2H 0 (Al) + NaOH (conc.) + Ag 2 S \u003d 2Ag ↓ + H 2 O + NaHS
- 2H 0 (Zn, dim. H 2 SO 4) + C 2 N 2 \u003d 2HCN
Compuși cu hidrogen
D 2 - dideuteriu:
- Hidrogen greu.
- Un gaz incolor greu de lichefiat.
- Dideuteriul este conținut în hidrogen natural 0,012-0,016% (în masă).
- Într-un amestec gazos de diduteriu și protiu, schimbul de izotopi are loc la temperaturi ridicate.
- Puțin solubil în apă obișnuită și grea.
- Cu apa obișnuită, schimbul de izotopi este neglijabil.
- Proprietățile chimice sunt similare cu hidrogenul ușor, dar dideuteriu este mai puțin reactiv.
- Greutate moleculară relativă = 4,028
- Densitatea relativă a dideuteriului lichid (t=-253°C) = 0,17
- punct de topire = -254,5°C
- punctul de fierbere = -249,49°C
T2 - ditritiu:
- Hidrogen supergreu.
- Gaz radioactiv incolor.
- Timpul de înjumătățire este de 12,34 ani.
- În natură, ditritiul se formează ca urmare a bombardării nucleelor de 14 N de către neutroni din radiația cosmică; urme de ditritiu au fost găsite în apele naturale.
- Ditritiul este produs într-un reactor nuclear prin bombardarea litiului cu neutroni lenți.
- Greutate moleculară relativă = 6,032
- punct de topire = -252,52°C
- punctul de fierbere = -248,12°C
HD - deuteriohidrogen:
- gaz incolor.
- Nu se dizolvă în apă.
- Proprietățile chimice sunt similare cu H2.
- Greutate moleculară relativă = 3,022
- Densitatea relativă a deuteriohidrogenului solid (t=-257°C) = 0,146
- Suprapresiune (n.o.) = 0,135 g/l
- punct de topire = -256,5°C
- punctul de fierbere = -251,02°C
Oxizi de hidrogen
H2O - apă:
- Lichid incolor.
- Conform compoziției izotopice a oxigenului, apa este formată din H 2 16 O cu impurități H 2 18 O și H 2 17 O
- Conform compoziției izotopice a hidrogenului, apa este formată din 1 H 2 O cu un amestec de HDO.
- Apa lichidă este supusă protolizei (H 3 O + și OH -):
- H3O+ (cationul de oxoniu) este cel mai puternic acid în soluție apoasă;
- OH - (ion hidroxid) este cea mai puternică bază în soluție apoasă;
- Apa este cel mai slab protolit conjugat.
- Cu multe substanțe, apa formează hidrați cristalini.
- Apa este o substanță activă din punct de vedere chimic.
- Apa este un solvent lichid universal al compușilor anorganici.
- Greutatea moleculară relativă a apei = 18,02
- Densitatea relativă a apei solide (gheață) (t=0°C) = 0,917
- Densitatea relativă a apei lichide:
- (t=0°C) = 0,999841
- (t=20°C) = 0,998203
- (t=25°C) = 0,997044
- (t=50°C) = 0,97180
- (t=100°C) = 0,95835
- densitate (n.o.) = 0,8652 g/l
- punct de topire = 0°C
- punct de fierbere = 100°C
- Produs ionic al apei (25°C) = 1,008 10 -14
1. Descompunerea termică a apei:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (peste 1000°C)
D 2 O - oxid de deuteriu:
- Apa grea.
- Lichid higroscopic incolor.
- Vâscozitatea este mai mare decât cea a apei.
- Miscibil cu apa obisnuita in cantitati nelimitate.
- Schimbul izotopic produce apă semi-grea HDO.
- Puterea de dizolvare este mai mică decât cea a apei obișnuite.
- Proprietățile chimice ale oxidului de deuteriu sunt similare cu cele ale apei, dar toate reacțiile sunt mai lente.
- Apa grea este prezentă în apa naturală (raportul masei la apa obișnuită 1:5500).
- Oxidul de deuteriu se obține prin electroliza repetată a apei naturale, în care apă grea se acumulează în reziduul de electrolit.
- Greutatea moleculară relativă a apei grele = 20,03
- Densitatea relativă a apei grele lichide (t=11,6°C) = 1,1071
- Densitatea relativă a apei grele lichide (t=25°C) = 1,1042
- punct de topire = 3,813°C
- punctul de fierbere = 101,43°C
T 2 O - oxid de tritiu:
- Apa super grea.
- Lichid incolor.
- Vâscozitatea este mai mare și puterea de dizolvare este mai mică decât cea a apei obișnuite și grele.
- Se amestecă cu apa obișnuită și grea în cantități nelimitate.
- Schimbul izotopic cu apa obișnuită și grea duce la formarea HTO, DTO.
- Proprietățile chimice ale apei supergrele sunt similare cu cele ale apei, dar toate reacțiile decurg chiar mai lent decât în apa grea.
- Urme de oxid de tritiu se găsesc în apa naturală și în atmosferă.
- Apa supergrea se obține prin trecerea tritiului peste oxidul de cupru fierbinte CuO.
- Greutatea moleculară relativă a apei supergrele = 22,03
- temperatura de topire = 4,5°C
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 se află pe 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 - protiu (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 apei.
Obținerea de hidrogen
In laborator:
1. Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor:
Zn +2HCI → ZnCl2 +H2
2. Interacțiunea metalelor alcaline și alcaline cu apa:
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 a crește conductivitatea electrică a apei, 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 se consume 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 și la temperaturi și presiuni ridicate:
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
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) cu monoxid de carbon (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Sinteza - gazul (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:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
