Hidrogenul în tabelul periodic este pe primul loc, în grupele I și VII deodată. Simbolul pentru hidrogen este H (Hidrogeniu latin). Este un gaz foarte ușor, incolor și inodor. Există trei izotopi ai hidrogenului: 1H - protiu, 2H - deuteriu și 3H - tritiu (radioactiv). Aerul sau oxigenul în reacție cu hidrogenul simplu H₂ este foarte inflamabil și, de asemenea, exploziv. Hidrogenul nu emite produse toxice. Este solubil în etanol și o serie de metale (acest lucru este valabil mai ales pentru subgrupul lateral).
Prevalența hidrogenului pe Pământ
Ca și oxigenul, hidrogenul este esențial. Dar, spre deosebire de oxigen, hidrogenul este aproape complet formă legată cu alte substante. În stare liberă, se găsește doar în atmosferă, dar cantitatea sa acolo este extrem de neglijabilă. Hidrogenul face parte din aproape toți compușii organici și organismele vii. Cel mai adesea apare sub formă de oxid - apă.
Proprietăți fizico-chimice
Hidrogenul este inactiv, iar atunci când este încălzit sau în prezența catalizatorilor, reacționează cu aproape toate elementele chimice simple și complexe.
Reacția hidrogenului cu elemente chimice simple
La temperaturi ridicate, hidrogenul reacţionează cu oxigenul, sulful, clorul şi azotul. vei afla ce experimente cu gaze se pot face acasa.
Experiență de interacțiune a hidrogenului cu oxigenul în condiții de laborator
Să luăm hidrogen pur, care intră prin conducta de evacuare a gazului, și să-i dăm foc. Va arde cu o flacără abia vizibilă. Dacă puneți un tub de hidrogen într-un vas, acesta va continua să ardă și se vor forma picături de apă pe pereți. Oxigenul a reacționat cu hidrogenul:
2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + Q
Când hidrogenul arde, se generează multă energie termică. Temperatura combinației de oxigen și hidrogen ajunge la 2000 ° C. Oxigenul a oxidat hidrogenul, deci această reacție se numește reacție de oxidare.
În condiții normale (fără încălzire), reacția este lentă. Și la temperaturi peste 550 ° C, are loc o explozie (se formează așa-numitul gaz detonant). Anterior, hidrogenul era adesea folosit în baloane, dar din cauza formării gazului oxigenat au avut loc multe dezastre. Integritatea mingii a fost ruptă și a avut loc o explozie: hidrogenul a reacționat cu oxigenul. Prin urmare, acum este utilizat heliu, care este încălzit periodic cu o flacără.
Clorul interacționează cu hidrogenul și formează clorură de hidrogen (numai în prezența luminii și a căldurii). Reacția chimică a hidrogenului și a clorului arată astfel:
Н2 + Cl2 = 2HCI
Un fapt interesant: reacția fluorului cu hidrogenul provoacă o explozie chiar și la întuneric și la temperaturi sub 0 ° C.
Interacțiunea azotului cu hidrogenul poate avea loc numai atunci când este încălzit și în prezența unui catalizator. Această reacție produce amoniac. Ecuația reacției:
ЗН₂ + N₂ = 2N₃
Reacția sulfului și hidrogenului are loc cu formarea unui gaz - hidrogen sulfurat. Drept urmare, puteți simți mirosul de ouă putrezite:
Н₂ + S = H2S
În metale, hidrogenul nu numai că se dizolvă, dar poate și reacționa cu ele. Ca rezultat, se formează compuși, care se numesc hidruri. Unele hidruri sunt folosite ca combustibil în rachete. De asemenea, cu ajutorul lor, se obține energie nucleară.
Reacția cu elemente chimice complexe
De exemplu, hidrogen cu oxid de cupru. Luați un tub de hidrogen și treceți-l prin pulberea de oxid de cupru. Întreaga reacție are loc atunci când este încălzită. Pulberea neagră de cupru va deveni roșu maronie (culoare simplă de cupru). Pe zonele neîncălzite ale balonului vor apărea și picături de lichid - acesta se formează.
Reactie chimica:
CuO + H2 = Cu + H2O
După cum puteți vedea, hidrogenul a reacționat cu oxid și a redus cuprul.
Reacții reductive
Dacă o substanță îndepărtează oxidul în timpul reacției, este un agent reducător. Folosind exemplul reacției oxidului de cupru cu, vedem că hidrogenul era un agent reducător. De asemenea, reacționează cu alți oxizi, cum ar fi HgO, MoO₃ și PbO. În orice reacție, dacă unul dintre elemente este un agent de oxidare, celălalt va fi un agent reducător.
Toți compușii cu hidrogen
Compuși de hidrogen cu nemetale- foarte volatilă şi gaze otrăvitoare(de exemplu, hidrogen sulfurat, silan, metan).
Halogenuri de hidrogen- Clorura de hidrogen este folosită cel mai mult. Când este dizolvat, formează acid clorhidric. Această grupă include și: acidul fluorhidric, hidrogen iodură și hidrogen bromură. Toți acești compuși au ca rezultat acizii corespunzători.
Apă oxigenată (formula chimicaН₂О₂) prezintă proprietăți oxidante puternice.
Hidroxizi de hidrogen sau apă H₂O.
Hidruri sunt compuși cu metale.
Hidroxizi- acestea sunt acizi, baze și alți compuși, care includ hidrogenul.
Compusi organici: proteine, grasimi, lipide, hormoni si altele.
Hidrogenul H este cel mai abundent element din Univers (aproximativ 75% din masă), pe Pământ - al nouălea ca abundență. Cel mai important compus natural al hidrogenului este apa.
Hidrogenul se află pe primul loc în sistem periodic(Z = 1). Are cea mai simplă structură atomică: nucleul unui atom - 1 proton, înconjurat de un nor de electroni, format din 1 electron.
În unele condiții, hidrogenul prezintă proprietăți metalice (cedează un electron), în altele - nemetalic (acceptă un electron).
Izotopii de hidrogen apar 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). ).
Substanță simplă hidrogen
O moleculă de hidrogen este formată din doi atomi legați printr-o legătură covalentă nepolară.
Proprietăți fizice.
Hidrogenul este un gaz incolor, inodor, fără gust, netoxic. Molecula de hidrogen nu este polară. Prin urmare, forțele interacțiunii intermoleculare în hidrogenul gazos sunt mici. Aceasta se manifestă în temperaturi scăzute fierbere (-252,6 0С) și topire (-259,2 0С).
Hidrogenul este mai ușor decât aerul, D (pe aer) = 0,069; ușor solubil în apă (100 volume de H2O dizolvă 2 volume de H2). Prin urmare, hidrogenul, atunci când este produs într-un laborator, poate fi colectat prin metode de deplasare a aerului sau apei.
Producția de hidrogen
In laborator:
1. Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor:
Zn + 2HCI → ZnCl2 + H2
2. Interacțiunea alcaline și u-z metale cu apă:
Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2
3. Hidroliza hidrurilor: hidrurile metalice sunt ușor descompuse de apă pentru a forma alcalii și hidrogenul corespunzător:
NaH + H2O → NaOH + H2
CaH2 + 2H20 = Ca (OH)2 + 2H2
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. Vaporii de apă prin cocs încins la 1000 о С:
C + H2O → CO + H2
CO + H2O → CO2 + H2
Monoxidul de carbon (IV) rezultat este absorbit de apă, astfel se obține 50% hidrogen industrial.
3. Încălzirea metanului la 350 ° C în prezența unui catalizator de fier sau nichel:
CH4 → C + 2H2
4. Electroliza solutii apoase KCl sau NaCl ca produs secundar:
2Н 2 О + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Proprietățile chimice ale hidrogenului
- În compuși, hidrogenul este întotdeauna monovalent. Are o stare de oxidare de +1, dar în hidrurile metalice este -1.
- O moleculă 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 H2 este mai stabilă energetic decât atomii săi individuali. Pentru a rupe o moleculă în atomi într-un mol de hidrogen, este necesar să consumați 436 kJ de energie: Н 2 = 2Н, ∆H ° = 436 kJ / mol
- Aceasta explică activitatea relativ scăzută a hidrogenului molecular la temperaturi obișnuite.
- Cu multe nemetale, hidrogenul formează compuși gazoși precum RH 4, RH 3, RH 2, RH.
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 degajarea 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:
ЗН 2 + N 2 → 2NН 3
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):
Н 2 + 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 (utilizați pentru reducerea metalelor):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) cu monoxid de carbon (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Sinteză - gaz (amestec de hidrogen și monoxid de carbon) are un important semnificație practică, mk, în funcție de temperatură, presiune și catalizator, diverse compusi organici, de exemplu НСНО, СН 3 ОН și altele.
9) Hidrocarburile nesaturate reacţionează cu hidrogenul, transformându-se în saturate:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n + 2.
DEFINIȚIE
Hidrogen- primul element al tabelului periodic elemente chimice DI. Mendeleev. Simbol - N.
Masa atomică - 1 amu Molecula de hidrogen este diatomică - Н 2.
Configurația electronică a atomului de hidrogen este 1s 1. Hidrogenul aparține familiei elementelor s. În compușii săi, prezintă stări de oxidare -1, 0, +1. Hidrogenul natural este format din doi izotopi stabili - protium 1 H (99,98%) și deuteriu 2 H (D) (0,015%) - și izotop radioactiv tritiu 3 H (T) (urme, timp de înjumătățire - 12,5 ani).
Proprietățile chimice ale hidrogenului
În condiții normale, hidrogenul molecular prezintă o reactivitate relativ scăzută, care se explică prin rezistența ridicată a legăturilor din moleculă. Când este încălzit, interacționează cu aproape toate substanțele simple formate din elementele principalelor subgrupe (cu excepția gazelor nobile, B, Si, P, Al). V reacții chimice poate acționa atât ca agent reducător (mai des) cât și ca agent oxidant (mai rar).
Exponate de hidrogen proprietățile agentului reducător(Н 2 0 -2е → 2Н +) în următoarele reacții:
1. Reacții de interacțiune cu substanțe simple - nemetale. Hidrogenul reacţionează cu halogeni, mai mult, reacția de interacțiune cu fluorul în condiții normale, pe întuneric, cu o explozie, cu clor - sub iluminare (sau iradiere UV) printr-un mecanism în lanț, cu brom și iod numai la încălzire; oxigen(un amestec de oxigen și hidrogen într-un raport de volum de 2: 1 se numește „oxihidrogen gazos”), gri, azotși carbon:
H2 + Hal2 = 2HHal;
2H2 + O2 = 2H2O + Q (t);
H2 + S = H2S (t = 150 - 300°C);
3H2 + N2↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);
2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).
2. Reacții de interacțiune cu substanțe complexe. Hidrogenul reacţionează cu oxizi ai metalelor cu activitate redusăși este capabil să reducă doar metalele care stau în rândul de activitate din dreapta zincului:
CuO + H2 = Cu + H20 (t);
Fe203 + 3H2 = 2Fe + 3H20 (t);
W03 + 3H2 = W + 3H20 (t).
Hidrogenul reacţionează cu oxizi de nemetale:
H2 + CO2 ↔ CO + H20 (t);
2H2 + CO ↔ CH3OH (t = 300C, p = 250 - 300 atm., Kat = ZnO, Cr203).
Hidrogenul intră în reacții de hidrogenare cu compuși organici din clasa cicloalcanilor, alchenelor, arenelor, aldehidelor și cetonelor etc. Toate aceste reacții se desfășoară sub încălzire, sub presiune, platină sau nichel sunt utilizate ca catalizatori:
CH2 = CH2 + H2↔ CH3-CH3;
C6H6 + 3H2↔ C6H12;
C3H6 + H2↔ C3H8;
CH3CHO + H2↔ CH3-CH2-OH;
CH3-CO-CH3 + H2↔ CH3-CH(OH)-CH3.
Hidrogen ca agent oxidant(Н 2 + 2е → 2Н -) acționează în reacții de interacțiune cu metale alcaline și alcalino-pământoase. În acest caz, se formează hidruri - compuși ionici cristalini în care hidrogenul prezintă o stare de oxidare de -1.
2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).
Ca + H2 ↔ CaH2 (t, p).
Proprietățile fizice ale hidrogenului
Hidrogenul este un gaz ușor, incolor, inodor, cu densitate în condiții normale. - 0,09 g/l, de 14,5 ori mai ușor decât aerul, balot t = -252,8C, t pl = - 259,2C. Hidrogenul este slab solubil în apă și solvenți organici, bine solubil în unele metale: nichel, paladiu, platină.
Conform cosmochimiei moderne, hidrogenul este cel mai abundent element din Univers. Principala formă de existență a hidrogenului în spațiul cosmic- atomi individuali. În ceea ce privește abundența pe Pământ, hidrogenul ocupă locul 9 între toate elementele. Cantitatea principală de hidrogen de pe Pământ este în stare legată - în compoziția apei, uleiului, gaz natural, cărbune etc. Sub forma unei substanțe simple, hidrogenul este rar - în compoziția gazelor vulcanice.
Producția de hidrogen
Există metode de laborator și industriale pentru producerea hidrogenului. Metodele de laborator includ interacțiunea metalelor cu acizi (1), precum și interacțiunea aluminiului cu soluții apoase de alcali (2). Printre metodele industriale de producere a hidrogenului mare rol electroliza soluțiilor apoase de alcaline și săruri (3) și conversia metanului (4) joacă:
Zn + 2HCI = ZnCI2 + H2 (1);
2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na +3H2 (2);
2NaCI + 2H20 = H2 + CI2 + 2NaOH (3);
CH4 + H2O ↔ CO + H2 (4).
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | Când 23,8 g de staniu metalic au reacţionat cu un exces de acid clorhidric, s-a eliberat hidrogen într-o cantitate suficientă pentru a obţine 12,8 g de cupru metalic.Determină starea de oxidare a staniului în compusul rezultat. |
| Soluţie | Bazat structura electronica atom de staniu (… 5s 2 5p 2), se poate concluziona că staniul se caracterizează prin două stări de oxidare - +2, +4. Pe baza acesteia, vom compune ecuațiile reacțiilor posibile: Sn + 2HCI = H2 + SnCI2 (1); Sn + 4HCI = 2H2 + SnCI4 (2); CuO + H2 = Cu + H20 (3). Să aflăm cantitatea de substanță de cupru: v (Cu) = m (Cu) / M (Cu) = 12,8 / 64 = 0,2 mol. Conform ecuației 3, cantitatea de substanță hidrogen: v (H2) = v (Cu) = 0,2 mol. Cunoscând masa staniului, aflăm cantitatea sa de substanță: v (Sn) = m (Sn) / M (Sn) = 23,8 / 119 = 0,2 mol. Să comparăm cantitățile de substanță de staniu și hidrogen conform ecuațiilor 1 și 2 și în funcție de starea problemei: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1: 1 (ecuaţia 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1: 2 (ecuația 2); v (Sn): v (H 2) = 0,2: 0,2 = 1: 1 (condiție problematică). În consecință, staniul interacționează cu acid clorhidric conform ecuației 1 și starea de oxidare a staniului este +2. |
| Răspuns | Starea de oxidare a staniului este +2. |
EXEMPLUL 2
| Exercițiu | Gazul eliberat prin acțiunea a 2,0 g de zinc în 18,7 ml de acid clorhidric 14,6% (densitatea soluției 1,07 g/ml) a fost trecut prin încălzire peste 4,0 g de oxid de cupru (II). Care este masa amestecului solid rezultat? |
| Soluţie | Când zincul acționează asupra acidului clorhidric, se eliberează hidrogen: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1), care, atunci când este încălzit, reduce oxidul de cupru (II) la cupru (2): CuO + H2 = Cu + H2O. Să aflăm cantitatea de substanțe din prima reacție: m (soluție HCI) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m (HCI) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v (HCI) = 2,92/36,5 = 0,08 mol; v (Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Zincul este insuficient, astfel încât cantitatea de hidrogen eliberată este egală cu: v (H2) = v (Zn) = 0,031 mol. În a doua reacție, hidrogenul este insuficient, deoarece: v (CuO) = 4,0/80 = 0,05 mol. Ca rezultat al reacției, 0,031 mol de CuO se vor transforma în 0,031 mol de Cu, iar pierderea în greutate va fi: m (CuO) - m (Cu) = 0,031 × 80 - 0,031 × 64 = 0,50 g. Masa amestecului solid de CuO cu Cu după trecerea hidrogenului va fi: 4,0-0,5 = 3,5 g. |
| Răspuns | Masa amestecului solid de CuO și Cu este de 3,5 g. |
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, se obține oxigenul disponibil în stare liberă fizic- eliberarea din aerul lichid. Aproape tot hidrogenul este sub formă de compuși, prin urmare, pentru a-l obține, îl 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.
De bază mod industrial producția de hidrogen - reacția metanului cu apa, care face parte din gazul natural. Se efectuează la temperatura ridicata(este ușor să vă asigurați că atunci când metanul este trecut chiar și prin apă clocotită, nu are loc nicio reacție):
CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ
În laborator, pentru a obține substanțe simple, nu folosesc neapărat materii prime naturale, ci selectează acele materii prime din care este mai ușor să izolați substanța necesară. 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 se transformă în ortohidrogen până la formarea echilibrului la temperatura camerei amestecuri (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. Pe măsură ce sunt cele mai ușoare, moleculele de hidrogen se mișcă mai rapid decât moleculele orice alt gaz și astfel mai rapid poate transfera căldură de la un corp la altul. Rezultă că hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică dintre substante 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”. A această definiție, primul din punct de vedere istoric, își păstrează semnificația în prezent, în special 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
Hidrogen - bazic material de construcții Universul. 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 se formează continuu ca urmare a descompunerii apei radiatie solara... Migrează în atmosfera superioară și evadează în spațiu.
Aplicație
- Energia hidrogenului
Hidrogenul atomic este utilizat pentru sudarea cu hidrogen atomic.
V Industria alimentară hidrogen 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
V industria chimica hidrogenul este utilizat în producția de amoniac, săpun și materiale plastice. În industria alimentară, folosind hidrogen din lichid uleiuri vegetale face margarina. Hidrogenul este foarte ușor și se ridică mereu în aer. Odată dirijabile și baloane umplut 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, de asemenea, folosit ca combustibil pentru racheta... Hidrogenul poate fi într-o zi folosit pe scară largă ca combustibil pentru mașini și camioane. Motoarele cu hidrogen nu poluează mediu inconjuratorși emit doar vapori de apă (cu toate acestea, însăși producția de hidrogen duce la o anumită poluare a mediului). Soarele nostru este în mare parte format din hidrogen. Căldura solară și lumina sunt rezultatul excreției energie nuclearăîn 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 moli de O 2 (16 g) la conditii standardși inițiază o reacție, apoi 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, propan - 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.
Cu toate acestea, nu trebuie să uităm că atunci când ardem hidrogen obținem apă curată din care a fost extras. 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): nu s-a putut deschide fluxul: 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
În tabelul periodic, hidrogenul este situat în două grupuri de elemente care sunt absolut opuse în proprietățile lor. Această caracteristică fă-l complet unic. Hidrogenul nu este doar un element sau o substanță, ci este și parte din mulți compuși complecși, elemente organogenice și biogene. Prin urmare, vom lua în considerare proprietățile și caracteristicile sale mai detaliat.
Eliberarea de gaz combustibil în timpul interacțiunii dintre metale și acizi a fost observată încă din secolul al XVI-lea, adică în timpul formării chimiei ca știință. Celebrul om de știință englez Henry Cavendish a studiat substanța încă din 1766 și ia dat numele de „aer combustibil”. Când a fost ars, acest gaz producea apă. Din păcate, aderarea omului de știință la teoria flogistonului (ipotetică „materie superfină”) l-a împiedicat să ajungă la concluziile corecte.
Chimistul și naturalistul francez A. Lavoisier împreună cu inginerul J. Meunier și cu ajutorul contoarelor speciale de gaz au efectuat în 1783 sinteza apei, iar apoi analiza acesteia prin descompunerea vaporilor de apă cu fier înroșit. Astfel, oamenii de știință au reușit să ajungă la concluziile corecte. Ei au descoperit că „aerul combustibil” nu este doar o parte a apei, ci poate fi obținut și din aceasta.
În 1787, Lavoisier a prezentat ipoteza că gazul investigat este substanță simplăși, în consecință, aparține numărului de elemente 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. Soloviev. 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 comparare a maselor atomice, primind o valoare egală cu 1.
Proprietăți fizice
Hidrogenul este cel mai ușor dintre toate cunoscută științei substanțe (este de 14,4 ori mai ușoară decât aerul), densitatea sa este de 0,0899 g / l (1 atm, 0 ° C). Acest material se topește (solidifică) și, respectiv, fierbe (lichefiază), la -259,1 ° C și -252,8 ° C (doar heliul are puncte de fierbere și de topire mai mici).
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 substanței este de 12,8 kgf/cm², iar densitatea critică este de 0,0312 g/cm³. Dintre toate gazele, hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică: la 1 atm și 0 ° C, este egal cu 0,174 W / (mxK).
Capacitatea termică specifică a unei substanțe în aceleași condiții este de 14,208 kJ / (kgxK) sau 3,394 cal / (rx °C). Acest element este ușor solubil în apă (aproximativ 0,0182 ml / g la 1 atm și 20 ° C), dar bine - 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 datorită interacțiunii hidrogenului cu carbonul (acest proces se numește decarbonizare). V stare lichida substanța este foarte ușoară (densitate - 0,0708 g / cm³ la t ° = -253 ° C) și fluidă (vâscozitate - 13,8 cpoise în aceleași condiții).
În mulți compuși, acest element prezintă o valență de +1 (stare de oxidare), precum sodiul și alte metale alcaline. Este de obicei considerat ca fiind analog cu aceste metale. În consecință, el conduce primul grup al sistemului Mendeleev. În hidrurile metalice, ionul de hidrogen prezintă o sarcină negativă (starea de oxidare este -1), adică Na + H- are o structură similară cu clorura Na + Cl-. În conformitate cu aceasta și alte câteva fapte (apropierea proprietăților fizice ale elementului „H” și halogeni, capacitatea de a-l înlocui cu halogeni în compuși organici), hidrogenul este clasificat ca grupa VII sistemele lui Mendeleev.
În condiţii normale, hidrogenul molecular are activitate scăzută, conectandu-se direct doar cu cel mai activ dintre nemetale (cu fluor si clor, cu acesta din urma la lumina). La rândul său, atunci când este încălzit, interacționează cu multe elemente chimice.
Hidrogenul atomic a crescut activitatea chimică (în comparație 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 mod obișnuit conditii de temperatura reacția decurge destul de lent și la t °> = 550 ° С - necontrolat. Limitele explozive ale unui amestec de hidrogen + oxigen în volum sunt 4–94% H₂, iar un amestec de hidrogen + aer este de 4–74% H₂ (un amestec de două volume de H₂ și un volum de O₂ se numește gaz detonant).
Acest element este folosit pentru a reduce majoritatea metalelor, deoarece 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 catalizator, cu presiuni mari si temperatura:
ЗН₂ + N₂ = 2N₃.
Când este încălzit, hidrogenul reacţionează activ cu sulful:
Н₂ + 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.
Interacțiunile hidrogenului și monoxidului de carbon (II) sunt de mare importanță practică. În acest caz, în funcție de presiune, temperatură și catalizator, se formează diverși compuși organici: НСНО, СН₃ОН etc. Hidrocarburile nesaturate trec în cele 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. El condiţionează proprietăți acide t. n. acizii protici, tinde să formeze o legătură de hidrogen cu diverse elemente, ceea ce are un efect semnificativ asupra proprietăților multor compuși anorganici și organici.
Producția de hidrogen
Principalele tipuri de materii prime pt productie industriala din acest element sunt gazele de rafinărie, combustibilii naturale și gazele de cocs. De asemenea, se obține din apă prin electroliză (unde este disponibilă electricitatea). 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:
СН₄ + H₂О = СО + ЗН₂.
Oxidarea incompletă a hidrocarburilor cu oxigen:
CH₄ + ½O2 = CO + 2H2.
Monoxidul de carbon sintetizat (II) suferă conversie:
CO + H2O = CO2 + H2.
Hidrogenul produs din gaze naturale este cel mai ieftin.
Pentru electroliza apei se folosește un curent continuu, care trece printr-o soluție de NaOH sau KOH (acizii nu sunt folosiți pentru a evita coroziunea aparatului). În condiții de laborator, materialul este obținut prin electroliza apei sau ca rezultat al reacției dintre acidul clorhidric și zinc. Cu toate acestea, mai des folosesc materiale gata făcute din fabrică în cilindri.
Din gaze de rafinărie și gaze din cuptorul de cocs element dat sunt izolate prin îndepărtarea tuturor celorlalte componente ale amestecului de gaze, deoarece se lichefiază mai ușor în timpul răcirii profunde.
Acest material a început să fie obținut industrial chiar și în sfârşitul XVIII-lea secol. Apoi a fost folosit pentru a umple baloanele. Pe acest moment hidrogenul este utilizat pe scară largă în industrie, în special în industria chimică, pentru producerea de amoniac.
Consumatorii în masă ai substanței sunt producători de alcool metilic și alți alcooli, benzină sintetică și multe alte produse. Sunt obținute prin sinteza din monoxid de carbon (II) și hidrogen. Hidrogenul este utilizat pentru hidrogenarea combustibililor lichizi grei și solizi, grăsimilor etc., pentru sinteza HCl, hidrotratarea produselor petroliere, precum și pentru tăierea/sudarea metalelor. Elemente esentiale pentru energie nucleara sunt izotopii săi - tritiu și deuteriu.
Rolul biologic al hidrogenului
Aproximativ 10% din masa organismelor vii (în medie) cade pe acest element. Este o parte a apei și a celor mai importante grupe de compuși naturali, inclusiv proteine, acizi nucleici, lipide, carbohidrați. Pentru ce este?
Acest material joacă un rol decisiv: în menținerea structurii spațiale a proteinelor (cuaternar), în implementarea principiului complementarității acizilor nucleici (adică în implementarea și stocarea informațiilor genetice), în general în „recunoașterea” la nivelul molecular.
Ionul de hidrogen H + ia parte la reacții / procese dinamice importante din organism. Inclusiv: în oxidarea biologică, care asigură energie celulelor vii, în reacțiile de biosinteză, în fotosinteza la plante, în fotosinteza bacteriană și fixarea azotului, în menținerea echilibrul acido-bazicși homeostazia, în procesele de transport membranar. Împreună cu carbonul și oxigenul formează un funcțional și cadru structural fenomene ale vieții.
