Hidrogenul a fost descoperit în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea de către omul de știință englez din domeniul fizicii și chimiei G. Cavendish. A reușit să izoleze o substanță în stare pură, a început să o studieze și i-a descris proprietățile.

Aceasta este istoria descoperirii hidrogenului. În timpul experimentelor, cercetătorul a stabilit că este un gaz combustibil, a cărui ardere în aer dă apă. Aceasta a condus la determinarea compoziției calitative a apei.

Ce este hidrogenul

Hidrogenul, ca substanță simplă, a fost declarat pentru prima dată de chimistul francez A. Lavoisier în 1784, deoarece a stabilit că molecula sa conține atomi de același tip.

Numele elementului chimic în latină sună ca hidrogeniu (a se citi „hidrogeniu”), care înseamnă „a naște apă”. Numele se referă la reacția de ardere care produce apă.

Caracterizarea hidrogenului

Denumirea hidrogenului N. Mendeleev a atribuit primul număr de serie acestui element chimic, plasându-l în subgrupul principal al primului grup și în prima perioadă și condiționat în subgrupul principal al celui de-al șaptelea grup.

Greutatea atomică (masa atomică) a hidrogenului este 1,00797. Greutatea moleculară a lui H2 este 2 a. e. Masa molară este numeric egală cu aceasta.

Este reprezentat de trei izotopi cu o denumire specială: cel mai comun protiu (H), deuteriu greu (D) și tritiu radioactiv (T).

Este primul element care poate fi complet separat în izotopi. într-un mod simplu. Se bazează pe diferența mare de masă a izotopilor. Procesul a fost efectuat pentru prima dată în 1933. Acest lucru se explică prin faptul că abia în 1932 a fost descoperit un izotop cu o masă de 2.

Proprietăți fizice

În condiții normale, o substanță simplă hidrogenul sub formă de molecule biatomice este un gaz, fără culoare, care nu are gust și miros. Puțin solubil în apă și alți solvenți.

Temperatura de cristalizare - 259,2 o C, punctul de fierbere - 252,8 o C. Diametrul moleculelor de hidrogen este atât de mic încât au capacitatea de a difuza încet printr-o serie de materiale (cauciuc, sticlă, metale). Această proprietate este utilizată atunci când este necesară purificarea hidrogenului de impuritățile gazoase. La n. y. hidrogenul are o densitate de 0,09 kg/m3.

Este posibil să se transforme hidrogenul într-un metal prin analogie cu elementele situate în primul grup? Oamenii de știință au descoperit că hidrogenul, în condițiile în care presiunea se apropie de 2 milioane de atmosfere, începe să absoarbă razele infraroșii, ceea ce indică polarizarea moleculelor substanței. Poate că la presiuni și mai mari, hidrogenul va deveni un metal.

Este interesant: se presupune că pe planetele gigantice, Jupiter și Saturn, hidrogenul este sub forma unui metal. Se presupune că hidrogenul solid metalic este prezent și în compoziția miezului pământului, din cauza presiunii ultra-înalte create de mantaua pământului.

Proprietăți chimice

LA interacțiune chimică atât substanțele simple cât și cele complexe intră cu hidrogenul. Dar activitatea scăzută a hidrogenului trebuie crescută prin crearea unor condiții adecvate - creșterea temperaturii, utilizarea catalizatorilor etc.

Când sunt încălzite, substanțele simple precum oxigenul (O 2), clorul (Cl 2), azotul (N 2), sulful (S) reacţionează cu hidrogenul.

Dacă dai foc hidrogenului pur la capătul tubului de gaz în aer, acesta va arde uniform, dar abia se va observa. Dacă, totuși, tubul de evacuare a gazului este plasat într-o atmosferă de oxigen pur, atunci arderea va continua cu formarea de picături de apă pe pereții vasului, ca urmare a reacției:

Arderea apei este însoțită de degajarea unei cantități mari de căldură. Aceasta este o reacție compusă exotermă în care hidrogenul este oxidat de oxigen pentru a forma oxidul H 2 O. Este, de asemenea, o reacție redox în care hidrogenul este oxidat și oxigenul este redus.

În mod similar, reacția cu Cl 2 are loc cu formarea clorurii de hidrogen.

Interacțiunea azotului cu hidrogenul necesită temperatură ridicată și presiune ridicată, precum și prezența unui catalizator. Rezultatul este amoniacul.

Ca urmare a reacției cu sulful, se formează hidrogen sulfurat, a cărei recunoaștere facilitează mirosul caracteristic al ouălor putrede.

Starea de oxidare a hidrogenului în aceste reacții este +1, iar în hidrurile descrise mai jos, este 1.

La reacția cu unele metale, se formează hidruri, de exemplu, hidrură de sodiu - NaH. Unii dintre acești compuși complecși sunt folosiți ca combustibil pentru rachete, precum și în puterea de fuziune.

Hidrogenul reacționează și cu substanțele din categoria complexă. De exemplu, cu oxid de cupru (II), formula CuO. Pentru a efectua reacția, hidrogenul de cupru este trecut peste oxid de cupru (II) sub formă de pulbere încălzit. În cursul interacțiunii, reactivul își schimbă culoarea și devine roșu-maro, iar picăturile de apă se depun pe pereții reci ai eprubetei.

În timpul reacției, hidrogenul este oxidat pentru a forma apă, iar cuprul este redus de la oxid la o substanță simplă (Cu).

Domenii de utilizare

Hidrogenul are mare importanță pentru oameni și găsește aplicații în diverse domenii:

1. LA producție chimică- aceasta este o materie primă, în alte industrii - combustibil. Nu vă faceți fără hidrogen și întreprinderile de petrochimie și rafinarea petrolului.
2. În industria energiei electrice, această substanță simplă acționează ca un agent de răcire.
3. În metalurgia feroasă și neferoasă, hidrogenul joacă rolul de agent reducător.
4. Cu acest ajutor, se creează un mediu inert la ambalarea produselor.
5. Industria farmaceutică folosește hidrogenul ca reactiv în producerea peroxidului de hidrogen.
6. Sondele meteorologice sunt umplute cu acest gaz ușor.
7. Acest element este cunoscut și ca agent de reducere a combustibilului pentru motoarele de rachetă.

Oamenii de știință prevăd în unanimitate că hidrogenul va fi lider în sectorul energetic.

Primire în industrie

În industrie, hidrogenul este produs prin electroliză, care este supus clorurilor sau hidroxizilor metalelor alcaline dizolvate în apă. De asemenea, este posibil să se obțină hidrogen în acest mod direct din apă.

În acest scop, se folosește conversia cocsului sau a metanului cu abur. Descompunerea metanului la temperatură ridicată produce și hidrogen. Lichefierea gazului cuptorului de cocs prin metoda fracționată este, de asemenea, utilizată pentru productie industriala hidrogen.

Obținere în laborator

În laborator, un aparat Kipp este folosit pentru a produce hidrogen.

Acidul clorhidric sau sulfuric și zincul acționează ca reactivi. Ca rezultat al reacției, se formează hidrogen.

Găsirea hidrogenului în natură

Hidrogenul este cel mai comun element din univers. Cea mai mare parte a stelelor, inclusiv Soarele și altele corpuri spațiale alcătuiește hidrogenul.

LA Scoarta terestra este doar 0,15%. Este prezent în multe minerale, în toate substanțele organice, precum și în apa care acoperă 3/4 din suprafața planetei noastre.

În atmosfera superioară pot fi găsite urme de hidrogen pur. Se găsește și într-o serie de gaze naturale combustibile.

Hidrogenul gazos este cel mai subțire, iar hidrogenul lichid este cea mai densă substanță de pe planeta noastră. Cu ajutorul hidrogenului, poți schimba timbrul vocii, dacă o inspiri, și poți vorbi în timp ce expiri.

În centrul acțiunii celor mai puternici bombă cu hidrogen se află scindarea celui mai ușor atom.

În sistemul periodic, hidrogenul este situat în două grupuri de elemente care sunt absolut opuse în proprietățile lor. Această caracteristică îl face complet unic. Hidrogenul nu este doar un element sau o substanță, ci și un parte integrantă mulți compuși complecși, elemente organogenice și biogene. Prin urmare, luăm în considerare proprietățile și caracteristicile sale mai detaliat.

Eliberarea de gaz combustibil în timpul interacțiunii metalelor și acizilor a fost observată încă din secolul al XVI-lea, adică în timpul formării chimiei ca știință. Celebrul om de știință englez Henry Cavendish a studiat substanța începând cu 1766 și i-a dat numele de „aer combustibil”. Când a fost ars, acest gaz producea apă. Din păcate, aderarea omului de știință la teoria flogistului (ipotetica „materie hiperfină”) l-a împiedicat să ajungă la concluzii corecte.

Chimistul și naturalistul francez A. Lavoisier, împreună cu inginerul J. Meunier și cu ajutorul gazometrelor speciale, au efectuat în 1783 sinteza apei, iar apoi analiza acesteia prin descompunerea vaporilor de apă cu fier înroșit. Astfel, oamenii de știință au putut ajunge la concluziile corecte. Ei au descoperit că „aerul combustibil” nu este doar o parte din apă, ci poate fi obținut și din aceasta.

În 1787, Lavoisier a sugerat că gazul studiat este o substanță simplă și, în consecință, este una dintre principalele elemente chimice. L-a numit hidrogen (de la cuvinte grecești hydor - apă + gennao - eu nasc), adică „născând apă”.

Denumirea rusă „hidrogen” a fost propusă în 1824 de chimistul M. Solovyov. Determinarea compoziției apei a marcat sfârșitul „teoriei flogistului”. La începutul secolelor al XVIII-lea și al XIX-lea, s-a constatat că atomul de hidrogen este foarte ușor (în comparație cu atomii altor elemente) iar masa lui a fost luată ca unitate principală de comparare a maselor atomice, obținându-se o valoare egală cu 1.

Proprietăți fizice

Hidrogenul este cea mai ușoară dintre toate substanțele cunoscute științei (este de 14,4 ori mai ușor decât aerul), densitatea sa este de 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Acest material se topește (solidifică) și, respectiv, fierbe (lichefiază), la -259,1 ° C și -252,8 ° C (doar heliul are o temperatură mai mică de fierbere și topire).

Temperatura critică a hidrogenului este extrem de scăzută (-240 °C). Din acest motiv, lichefierea sa este un proces destul de complicat și costisitor. Presiunea critică a unei substanțe este de 12,8 kgf/cm², iar densitatea critică este de 0,0312 g/cm³. Dintre toate gazele, hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică: la 1 atm și 0 ° C, este 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/(gh°C). Acest element este ușor solubil în apă (aproximativ 0,0182 ml / g la 1 atm și 20 ° C), dar bine - în majoritatea metalelor (Ni, Pt, Pa și altele), în special în paladiu (aproximativ 850 volume per volum de Pd ) .

Această din urmă proprietate este asociată cu capacitatea sa de a difuza, în timp ce difuzia printr-un aliaj de carbon (de exemplu, oțel) poate fi însoțită de distrugerea aliajului din cauza interacțiunii hidrogenului cu carbonul (acest proces se numește decarbonizare). În stare lichidă, substanța este foarte ușoară (densitate - 0,0708 g / cm³ la t ° \u003d -253 ° C) și fluidă (vâscozitate - 13,8 centigrade în aceleași condiții).

În mulți compuși, acest element prezintă o valență +1 (stare de oxidare), similară cu sodiul și alte metale alcaline. De obicei, este considerat un analog al acestor metale. În consecință, el conduce grupul I al sistemului Mendeleev. În hidrurile metalice, ionul de hidrogen 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 atribuit grupului VII al sistemului Mendeleev.

În condiții normale, hidrogenul molecular are activitate scăzută, combinându-se direct doar cu cel mai activ dintre nemetale (cu fluor și clor, cu acesta din urmă - la lumină). La rândul său, atunci când este încălzit, interacționează cu multe elemente chimice.

Hidrogenul atomic are o activitate chimică crescută (comparativ cu hidrogenul molecular). Cu oxigen, formează apă după formula:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

eliberând 285,937 kJ/mol de căldură sau 68,3174 kcal/mol (25°C, 1 atm). În condiții normale de temperatură, reacția decurge destul de lent, iar la t ° >= 550 ° С, este necontrolată. Limitele explozive ale unui amestec de hidrogen + oxigen în volum sunt 4–94% H₂, iar amestecurile de hidrogen + aer sunt 4–74% H₂ (un amestec de două volume de H₂ și un volum de O₂ se numește gaz exploziv).

Acest element este folosit pentru a reduce majoritatea metalelor, deoarece ia oxigen din oxizi:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H₂O etc.

Cu diferiți halogeni, hidrogenul formează halogenuri de hidrogen, de exemplu:

H2 + CI2 = 2HCI.

Cu toate acestea, atunci când reacționează cu fluor, hidrogenul explodează (acest lucru se întâmplă și în întuneric, la -252 ° C), reacționează cu bromul și clorul numai atunci când este încălzit sau iluminat și cu iod - numai când este încălzit. Când interacționează cu azotul, se formează amoniac, dar numai pe un catalizator, la presiuni și temperaturi ridicate:

ZN2 + N2 = 2NH3.

Când este încălzit, hidrogenul reacţionează activ cu sulful:

H₂ + S = H₂S (hidrogen sulfurat),

și mult mai dificil - cu telur sau seleniu. Hidrogenul reacționează cu carbonul pur fără catalizator, dar la temperaturi ridicate:

2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metan).

Această substanță reacționează direct cu unele dintre metale (alcaline, alcalino-pământoase și altele), formând hidruri, de exemplu:

Н₂ + 2Li = 2LiH.

De o importanță practică nu mică sunt interacțiunile hidrogenului și monoxidului de carbon (II). În acest caz, în funcție de presiune, temperatură și catalizator, se formează diverși compuși organici: HCHO, CH₃OH etc. Hidrocarburile nesaturate se transformă în saturate în timpul reacției, de exemplu:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Hidrogenul și compușii săi joacă un rol excepțional în chimie. Condiţionează proprietăți acide așa-zisul. acizii protici, tinde să formeze o legătură de hidrogen cu diferite elemente, ceea ce are un efect semnificativ asupra proprietăților multor substanțe anorganice și compusi organici.

Obținerea de hidrogen

Principalele tipuri de materii prime pt productie industriala din acest element sunt gazele de rafinare a petrolului, combustibilii naturale și gazele de cocs. De asemenea, se obține din apă prin electroliză (în locurile cu energie electrică accesibilă). Unul dintre metode esentiale Producția de material din gaze naturale este considerată a fi interacțiunea catalitică a hidrocarburilor, în principal metanul, cu vaporii de apă (așa-numita conversie). De exemplu:

CH4 + H20 = CO + ZH2.

Oxidarea incompletă a hidrocarburilor cu oxigen:

CH₄ + ½O₂ \u003d CO + 2H₂.

Monoxidul de carbon sintetizat (II) suferă conversie:

CO + H2O = CO2 + H2.

Hidrogenul produs din gaze naturale este cel mai ieftin.

Pentru electroliza apei se folosește curent continuu, care este trecut printr-o soluție de NaOH sau KOH (acizii nu sunt folosiți pentru a evita coroziunea echipamentului). În condiții de laborator, materialul este obținut prin electroliza apei sau ca rezultat al reacției dintre acid clorhidric oh și zinc. Cu toate acestea, mai des utilizate materiale gata făcute din fabrică în cilindri.

Din gazele de rafinare a petrolului și gazele cuptorului de cocs, acest element este izolat prin îndepărtarea tuturor celorlalte componente amestec de gaze, deoarece se lichefiază mai ușor când sunt răcite profund.

Pe plan industrial, acest material a început să fie obținut înapoi sfârşitul XVIII-lea secol. Apoi a fost folosit pentru a umple baloanele. În prezent, hidrogenul este utilizat pe scară largă în industrie, în special în industria chimică, pentru producerea de amoniac.

Consumatorii în masă ai substanței sunt producătorii de alcool metilic și alți alcooli, benzină sintetică și multe alte produse. Sunt obținute prin sinteza din monoxid de carbon (II) și hidrogen. Hidrogenul este utilizat pentru hidrogenarea combustibililor lichizi grei și solizi, grăsimilor etc., pentru sinteza HCl, hidrotratarea produselor petroliere, precum și în tăierea/sudarea metalelor. Elemente esentiale pentru energia nucleară sunt izotopii ei - tritiu și deuteriu.

Rolul biologic al hidrogenului

Aproximativ 10% din masa organismelor vii (în medie) cade pe acest element. Face parte din apă și din cele mai importante grupe de compuși naturali, inclusiv proteine, acizi nucleici, lipide, carbohidrați. La ce serveste?

Chestia asta joacă rol decisiv: menținând în același timp structura spațială a proteinelor (cuaternare), în implementarea principiului complementarității acizi nucleici(adică în implementarea și stocarea informațiilor genetice), în general, în „recunoaștere” la nivel molecular.

Ionul de hidrogen H+ participă la reacții/procese dinamice importante din organism. Inclusiv: în oxidare biologică, care asigură celulelor vii energie, în reacțiile de biosinteză, în fotosinteză la plante, în fotosinteza bacteriană și fixarea azotului, în menținerea echilibrului acido-bazic și a homeostaziei, în procesele de transport membranar. Alături de carbon și oxigen, formează baza funcțională și structurală a fenomenelor vieții.

Cursul 29

Hidrogen. Apă

Planul cursului:

Apă. Proprietăți chimice și fizice

Rolul hidrogenului și apei în natură

Hidrogenul ca element chimic

Hidrogenul este singurul element sistem periodic D. I. Mendeleev, a cărui locație este ambiguă. A lui simbol chimicîn tabelul periodic se înregistrează de două ori: atât la grupele IA cât și la VIIA. Acest lucru se explică prin faptul că hidrogenul are o serie de proprietăți care îl combină atât cu metale alcaline, cât și cu halogeni (Tabelul 14).

Tabelul 14

Compararea proprietăților hidrogenului cu proprietățile metalelor alcaline și halogenilor

Similaritate cu metalele alcaline	Similaritate cu halogenii
La nivelul energetic exterior, atomii de hidrogen conțin un electron. Hidrogenul aparține elementelor s	Pentru a completa nivelul exterior și singurul, atomilor de hidrogen, precum atomii de halogen, le lipsește un electron
Hidrogenul prezintă proprietăți reducătoare. Ca urmare a oxidării, hidrogenul primește cea mai comună stare de oxidare în compușii săi +1	Hidrogenul, ca și halogenii, în compușii cu metale alcaline și alcalino-pământoase are o stare de oxidare de -1, ceea ce confirmă proprietăți oxidante.
Se presupune prezența în spațiu a hidrogenului solid cu o rețea cristalină metalică.	La fel ca fluorul și clorul, hidrogenul este un gaz în condiții normale. Moleculele sale, ca și moleculele de halogeni, sunt diatomice și sunt formate printr-o legătură covalentă nepolară

În natură, hidrogenul există sub formă de trei izotopi cu numere de masă 1, 2 și 3: protium 1 1 H, deuteriu 2 1 D și tritiu 3 1 T. Primii doi sunt izotopi stabili, iar al treilea este radioactiv. Amestecul natural de izotopi este dominat de protium. Raporturile cantitative dintre izotopii H: D: T sunt 1: 1,46 10 -5: 4,00 10 -15 .

Compușii izotopilor de hidrogen diferă ca proprietăți unul de celălalt. Deci, de exemplu, punctele de fierbere și de îngheț ale apei protium ușoare (H 2 O), respectiv, sunt - 100 o C și 0 o C, iar deuteriu (D 2 O) - 101,4 o C și 3,8 o C. Reacția rata cu participarea apei ușoare este mai mare decât a apei grele.

Hidrogenul este cel mai comun element din Univers - reprezintă aproximativ 75% din masa Universului sau peste 90% din toți atomii săi. Hidrogenul este o parte a apei din cel mai important înveliș geologic al Pământului - hidrosfera.

Hidrogenul formează, împreună cu carbonul, toate substanțele organice, adică face parte din învelișul viu al Pământului - biosfera. În scoarța terestră - litosferă - conținutul de masă de hidrogen este de numai 0,88%, adică ocupă locul 9 între toate elementele. Învelișul de aer al Pământului - atmosfera conține mai puțin de o milioneme din volumul total atribuit hidrogenului molecular. Se găsește doar în atmosfera superioară.

Obținerea și utilizarea hidrogenului

Hidrogenul a fost obținut pentru prima dată în secolul al XVI-lea de către medicul și alchimistul medieval Paracelsus, când o placă de fier a fost scufundată în acid sulfuric, iar în 1766, chimistul englez Henry Cavendish a demonstrat că hidrogenul se obține nu numai prin interacțiunea fierului cu acidul sulfuric, ci și a altor metale cu alți acizi. Cavendish a descris și pentru prima dată proprietățile hidrogenului.

LA laborator se obtin conditiile de hidrogen:

1. Interacțiunea metalelor cu acidul:

Zn + 2HCI → ZnCl2 + H2

2. Interacțiunea metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apa

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2

LA industrie hidrogenul este produs în următoarele moduri:

1. Electroliza soluțiilor apoase de săruri, acizi și alcalii. Cea mai des folosită soluție de sare este:

2NaCI + 2H20 →el. curent H2 + Cl2 + NaOH

2. Recuperarea vaporilor de apă prin cocs roșu:

C + H2O → t CO + H2

Amestecul rezultat de monoxid de carbon și hidrogen se numește apă gazoasă (gaz de sinteză),și este utilizat pe scară largă pentru sinteza diferitelor produse chimice (amoniac, metanol etc.). Pentru a extrage hidrogenul din apă gazoasă monoxid de carbon transformat în dioxid de carbon când este încălzit cu vapori de apă:

CO + H2 → t CO2 + H2

3. Încălzire cu metanîn prezenţa vaporilor de apă şi a oxigenului. Această metodă este în prezent cea principală:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Hidrogenul este utilizat pe scară largă pentru:

1. sinteza industriala a amoniacului si a clorurii de hidrogen;

2. obținerea de metanol și combustibil lichid sintetic ca parte a gazului de sinteză (2 volume de hidrogen și 1 volum de CO);

3. hidrotratarea și hidrocracarea fracțiilor petroliere;

4. hidrogenarea grăsimilor lichide;

5. tăierea și sudarea metalelor;

6. obţinerea wolframului, molibdenului şi reniului din oxizii acestora;

7. motoarele spațiale ca combustibil.

8. Reactoarele termonucleare folosesc izotopi de hidrogen drept combustibil.

Fizice și Proprietăți chimice hidrogen

Hidrogenul este un gaz incolor, insipid și inodor. Densitatea la n.o. 0,09 g/l (de 14 ori mai ușor decât aerul). Hidrogenul este slab solubil în apă (doar 2 volume de gaz la 100 de volume de apă), dar este bine absorbit de d-metale - nichel, platină, paladiu (până la 900 de volume de hidrogen sunt dizolvate într-un volum de paladiu).

În reacțiile chimice, hidrogenul prezintă atât proprietăți reducătoare, cât și de oxidare. Cel mai adesea, hidrogenul acționează ca un agent reducător.

1. Interacțiunea cu nemetale. Hidrogenul cu nemetale se formează volatil compuși cu hidrogen(vezi prelegerea 25).

Cu halogeni viteza de reacție și condițiile de curgere se schimbă de la fluor la iod: hidrogenul reacționează cu fluor cu o explozie chiar și pe întuneric, cu clorul reacția se desfășoară destul de calm cu expunere mică la lumină, cu brom și iod reacțiile sunt reversibile și decurg numai la încălzire:

H2 + F2 → 2HF

H2 + CI2 → hν 2HCl

H2 + I2 → t2HI

Cu oxigen iar hidrogenul sulfuric reacţionează cu o uşoară încălzire. Se numește un amestec 1:2 de oxigen și hidrogen gaz exploziv:

H2 + O2 → tH2O

H2 + S → tH2S

Cu azot, fosfor și carbon reacția are loc la încălzire tensiune arterială crescutăși în prezența unui catalizator. Reacțiile sunt reversibile:

3H2 + N2 → cat., p, t2NH3

2H 2 + 3P → cat., p, t3PH 3

H2 + C → cat., p, t CH4

2. Interacțiunea cu substanțe complexe. La temperaturi ridicate, hidrogenul reduce metalele din oxizii lor:

CuO + H2 → t Cu + H2O

3. La interacțiunea cu metalele alcaline și alcalino-pământoase hidrogenul prezintă proprietăți oxidante:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H2 → CaH2

4. Interacțiunea cu substanțele organice. Hidrogenul interacționează activ cu multe substanțe organice, astfel de reacții sunt numite reacții de hidrogenare. Reacții similare vor fi luate în considerare mai detaliat în partea a III-a a colecției „Chimie organică”.

Cel mai abundent element din univers este hidrogenul. În materia stelelor, are formă de nuclee - protoni - și este materialul proceselor termonucleare. Aproape jumătate din masa Soarelui este formată și din molecule de H 2. Conținutul său în scoarța terestră ajunge la 0,15%, iar atomii sunt prezenți în compoziția petrolului, a gazelor naturale și a apei. Împreună cu oxigenul, azotul și carbonul, este un element organogen care face parte din toate organismele vii de pe Pământ. În articolul nostru, vom studia proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului, vom determina principalele domenii de aplicare a acestuia în industrie și importanța sa în natură.

Poziția în sistemul periodic al elementelor chimice al lui Mendeleev

Primul element care deschide tabelul periodic este hidrogenul. Masa sa atomică este 1,0079. Are doi izotop stabili (protiu și deuteriu) și un izotop radioactiv (tritiu). Proprietăți fizice sunt determinate de locul nemetalului în tabelul elementelor chimice. În condiții normale, hidrogenul (formula sa este H 2) este un gaz de aproape 15 ori mai ușor decât aerul. Structura atomului unui element este unică: constă doar dintr-un nucleu și un electron. Molecula unei substanțe este diatomică, particulele din ea sunt conectate folosind o legătură covalentă nepolară. Intensitatea sa de energie este destul de mare - 431 kJ. Aceasta explică activitatea chimică scăzută a compusului în condiții normale. Formula electronică a hidrogenului este: H:H.

Substanța are, de asemenea, o serie de proprietăți care nu au analogi printre alte nemetale. Să luăm în considerare unele dintre ele.

Solubilitate și conductivitate termică

Metalele conduc cel mai bine căldura, dar hidrogenul se apropie de ele din punct de vedere al conductivității termice. Explicația fenomenului constă în viteza foarte mare mișcarea termică moleculele ușoare ale unei substanțe, prin urmare, într-o atmosferă de hidrogen, un obiect încălzit se răcește de 6 ori mai repede decât în ​​aer. Compusul se poate dizolva bine în metale, de exemplu, aproape 900 de volume de hidrogen pot fi absorbite de un volum de paladiu. Metalele pot intra în reacții chimice cu H 2 în care se manifestă proprietățile oxidante ale hidrogenului. În acest caz, se formează hidruri:

2Na + H 2 \u003d 2 NaH.

În această reacție, atomii unui element acceptă electroni din particulele de metal, transformându-se în anioni cu o sarcină negativă unitară. Substanță simplă H 2 in acest caz este un agent oxidant, care de obicei nu este tipic pentru acesta.

Hidrogenul ca agent reducător

Ceea ce unește metalele și hidrogenul nu este doar conductivitatea termică ridicată, ci și capacitatea atomilor lor de a procese chimice donează proprii lor electroni, adică se oxidează. De exemplu, oxizii bazici reacţionează cu hidrogenul. Reacția redox se termină cu eliberarea de metal pur și formarea de molecule de apă:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.

Interacțiunea unei substanțe cu oxigenul în timpul încălzirii duce și la producerea de molecule de apă. Procesul este exotermic și este însoțit de eliberarea unei cantități mari de energie termică. Dacă un amestec gazos de H 2 și O 2 reacționează într-un raport de 2: 1, atunci se numește deoarece explodează la aprindere:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O.

Apa este și joacă un rol important în formarea hidrosferei Pământului, a climei și a vremii. Acesta asigură circulația elementelor în natură, susține toate procesele de viață ale organismelor - locuitorii planetei noastre.

Interacțiunea cu nemetale

Cele mai importante proprietăți chimice ale hidrogenului sunt reacțiile sale cu elementele nemetalice. În condiții normale, ele sunt destul de inerte din punct de vedere chimic, astfel încât substanța poate reacționa numai cu halogeni, de exemplu, cu fluor sau clor, care sunt cele mai active dintre toate nemetalele. Deci, un amestec de fluor și hidrogen explodează în întuneric sau la rece și cu clor - când este încălzit sau la lumină. Produșii de reacție vor fi halogenuri de hidrogen, ale căror soluții apoase sunt cunoscute sub denumirea de acizi fluorură și clorură. C interacționează la o temperatură de 450-500 de grade, o presiune de 30-100 MPa și în prezența unui catalizator:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

Proprietățile chimice considerate ale hidrogenului sunt de mare importanță pentru industrie. De exemplu, puteți obține un produs chimic valoros - amoniac. Este principala materie primă pentru producerea îngrășămintelor cu azotat și azot: uree, azotat de amoniu.

materie organică

Între carbon și hidrogen duce la producerea celei mai simple hidrocarburi - metan:

C + 2H2 = CH4.

Substanța este cea mai importantă componentă a substanței naturale și este folosită ca tip valoros de combustibil și materie primă pentru industria sintezei organice.

În chimia compușilor de carbon, un element este inclus într-un număr imens de substanțe: alcani, alchene, carbohidrați, alcooli etc. Sunt cunoscute multe reacții ale compușilor organici cu molecule de H 2. Ele sunt cunoscute colectiv ca hidrogenare sau hidrogenare. Deci, aldehidele pot fi reduse cu hidrogen la alcooli, hidrocarburi nesaturate - la alcani. De exemplu, etilena este transformată în etan:

C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.

De mare importanță practică sunt proprietățile chimice ale hidrogenului, cum ar fi, de exemplu, hidrogenarea uleiurilor lichide: floarea soarelui, porumbul și rapița. Conduce la producerea de grăsime solidă - untură, care este utilizată în producerea de glicerină, săpun, stearina, margarina tare. Pentru a îmbunătăți aspectul și gustul produs alimentar I se adaugă lapte, grăsimi animale, zahăr, vitamine.

În articolul nostru, am studiat proprietățile hidrogenului și am aflat rolul acestuia în natură și viața umană.

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. Trăsătură distinctivă hidrogenul este și faptul 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 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 arată un fel de dualitate, deoarece hidrogenul este raportat simultan la primul grup, subgrupul principal, dacă se comportă ca un metal și renunță la un singur electron în proces. reactie chimica, iar la al șaptelea - în cazul umplerii complete a învelișului de valență, adică recepția unei particule negative, care o caracterizează ca fiind similară cu halogenii.

Caracteristicile structurii electronice a elementului

Proprietăți substanțe 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 unitate 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 rudă masă atomică egal cu 2, de 14,5 ori mai ușor 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 este umplut 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 sa de a pătrunde diverse 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
masă atomică ( Masă molară)	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 deuterat, 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: pozitiv și neîncărcat. 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.

În laborator sunt utilizate următoarele interacțiuni chimice:

În interes industrial, gazul se obține prin metode precum:

1. Descompunerea termică a metanului în prezența unui catalizator la constituenții săi substanțe simple(350 de grade atinge valoarea unui astfel de indicator ca temperatura) - hidrogen H 2 și carbon C.
2. Trecând apă vaporoasă prin cocs la 1000 de grade Celsius pentru a se forma dioxid de carbon CO 2 și H 2 (cea mai comună metodă).
3. Conversia metanului gazos pe un catalizator de nichel la o temperatură care atinge 800 de grade.
4. 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, hidrogen 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 condițiile normale se schimbă. 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):

1. alcalin şi metal alcalino-pământos+ hidrogen = hidrură.
2. Halogen + H2 = halogenură de hidrogen.
3. Sulf + hidrogen = hidrogen sulfurat.
4. Oxigen + H2 = apă.
5. Carbon + hidrogen = metan.
6. Azot + H2 = amoniac.

Interacțiunea cu substanțe complexe:

1. Obținerea gazului de sinteză din monoxid de carbon și hidrogen.
2. Recuperarea metalelor din oxizii lor cu H 2 .
3. 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 disociere în solutii apoaseîn 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 gazului starea de agregare, folosit pentru umplerea baloanelor, baloanelor 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 alimentarăîl 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 ea, ei produc pietre prețioase, lămpile incandescente, efectuează forjarea și sudarea produselor metalice sub influența unei flăcări de oxigen-hidrogen.