Cursul 29

Hidrogen. Apă

Schema cursului:

Apă. Chimice și proprietăți fizice

Rolul hidrogenului și apei în natură

Hidrogenul ca element chimic

Hidrogenul este singurul element tabelul periodic D.I. Mendeleev, a cărui locație este ambiguă. Simbolul său chimic este scris de două ori în tabelul periodic: atât în ​​grupele IA, cât și în grupele VIIA. Acest lucru se explică prin faptul că hidrogenul are o serie de proprietăți care îl unesc atât cu metalele alcaline, cât și cu halogenii (Tabelul 14).

Tabelul 14

Compararea proprietăților hidrogenului cu proprietățile metalelor alcaline și halogenilor

Asemănări cu metalele alcaline Similaritate cu halogenii
La nivelul energetic exterior, atomii de hidrogen conțin un electron. Hidrogenul este un element s Înainte de finalizarea nivelului exterior și unic, atomilor de hidrogen, precum atomii de halogen, le lipsește un electron.
Hidrogenul prezintă proprietăți reducătoare. Ca urmare a oxidării, hidrogenul primește starea de oxidare cea mai des întâlnită în compușii săi +1 Hidrogenul, ca și halogenii, din compușii cu metale alcaline și alcalino-pământoase are o stare de oxidare de -1, ceea ce confirmă proprietățile sale de oxidare.
Se presupune că hidrogenul solid cu o rețea cristalină metalică există în spațiu. La fel ca fluorul și clorul, hidrogenul este un gaz în condiții normale. Moleculele sale, ca și moleculele de halogen, sunt biatomice 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. Protium predomină în amestecul natural de izotopi. 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. De exemplu, punctele de fierbere și de îngheț ale apei ușoare de protiu (H 2 O) sunt egale cu – 100 o C și 0 o C, iar apa cu deuteriu (D 2 O) – 101,4 o C și 3,8 o C. Viteza de reacție care implică apa ușoară este mai mare decât apa grea.



În Univers, hidrogenul este cel mai comun element - reprezintă aproximativ 75% din masa Universului sau peste 90% din toți atomii săi. Hidrogenul face parte din apă în 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 Scoarta terestra- litosferă - conținutul de masă al hidrogenului este de numai 0,88%, adică se află pe locul 9 între toate elementele. Învelișul de aer al Pământului - atmosfera conține mai puțin de o milioneme din volumul total, care este ponderea hidrogenului molecular. Se găsește doar în atmosfera superioară.

Producerea și utilizarea hidrogenului

Hidrogenul a fost obținut pentru prima dată în secolul al XVI-lea de către medicul și alchimistul medieval Paracelsus, prin scufundarea unei plăci de fier în acid sulfuric, iar în 1766, chimistul englez Henry Cavendish a demonstrat că hidrogenul este produs 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.

ÎN laborator conditii, se obtine 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

ÎN industrie se obţine hidrogen în următoarele moduri:

1. Electroliza solutii apoase săruri, acizi și alcalii. Cea mai des folosită soluție este sarea de masă:

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

2. Reducerea vaporilor de apă cu cocs fierbinte:

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 separa hidrogenul de gazul de apă, monoxidul de carbon este transformat în dioxid de carbon atunci când este încălzit cu vapori de apă:

CO + H2 → t CO2 + H2

3. Încălzirea metanuluiîn 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. în termo reactoare nucleare Izotopii de hidrogen sunt folosiți drept combustibil.

Fizice și Proprietăți chimice hidrogen

Hidrogenul este un gaz incolor, insipid și inodor. Densitatea la nr. 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 reacții chimice Hidrogenul prezintă atât proprietăți reducătoare, cât și de oxidare. Cel mai adesea, hidrogenul acționează ca un agent reducător.

1. Interacțiunea cu nemetale. Hidrogenul formează compuși volatili de hidrogen cu nemetale (vezi Lectura 25).

Cu halogeni viteza de reacție și condițiile variază de la fluor la iod: cu fluor, hidrogenul reacționează exploziv chiar și pe întuneric, cu clor reacția se desfășoară destul de calm, cu puțină iradiere cu lumină, cu brom și iod reacțiile sunt reversibile și apar numai la încălzire:

H2 + F2 → 2HF

H2 + CI2 → hν 2HCl

H2 + I2 → t2HI

Cu oxigenși hidrogenul sulf reacționează cu o ușoară încălzire. Se numește un amestec de oxigen și hidrogen într-un raport de 1:2 gaz exploziv:

H2 + O2 → tH2O

H2 + S → tH2S

Cu azot, fosfor și carbon reacția are loc atunci când este încălzită, 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. Astfel de reacții vor fi discutate mai detaliat în partea a III-a a colecției „Chimie organică”.

  • Istoria descoperirii hidrogenului

    Dacă este cel mai comun element chimic de pe Pământ, atunci hidrogenul este cel mai comun element din întregul Univers. Al nostru (și alte stele) este format din aproximativ jumătate de hidrogen, iar în ceea ce privește gazul interstelar, este format din 90% atomi de hidrogen. Acest element chimic ocupă, de asemenea, un loc semnificativ pe Pământ, deoarece împreună cu oxigenul face parte din apă, iar chiar numele său „hidrogen” provine din două cuvinte grecești antice: „apă” și „născut”. Pe lângă apă, hidrogenul este prezent în majoritatea materie organicăși celulele, fără el, ca și fără oxigen, Viața însăși ar fi de neconceput.

    Istoria descoperirii hidrogenului

    Primul dintre oamenii de știință care a observat hidrogenul a fost marele alchimist și medic al Evului Mediu, Theophrastus Paracelsus. În experimentele sale alchimice, în speranța de a găsi „piatra filosofală”, prin amestecarea cu acizi, Paracelsus a obținut un gaz inflamabil necunoscut anterior. Adevărat, nu a fost niciodată posibil să se separe acest gaz de aer.

    La doar un secol și jumătate după Paracelsus, chimistul francez Lemery a reușit să separe hidrogenul de aer și să-i demonstreze inflamabilitatea. Adevărat, Lemery nu și-a dat seama niciodată că gazul pe care l-a obținut este hidrogen pur. În paralel, omul de știință rus Lomonosov a fost, de asemenea, implicat în experimente chimice similare, dar adevărata descoperire în studiul hidrogenului a fost făcută de chimistul englez Henry Cavendish, care este considerat pe bună dreptate descoperitorul hidrogenului.

    În 1766, Cavendish a reușit să obțină hidrogen pur, pe care l-a numit „aer combustibil”. Alți 20 de ani mai târziu, talentatul chimist francez Antoine Lavoisier a reușit să sintetizeze apă și să izoleze din ea acest „aer inflamabil” - hidrogen. Și apropo, Lavoisier a fost cel care i-a sugerat numele hidrogenului - „Hydrogenium”, cunoscut și sub numele de „hidrogen”.

    Antoine Lavoisier cu soția sa, care l-a ajutat să efectueze experimente chimice, inclusiv sinteza hidrogenului.

    În centrul aranjamentului elemente chimiceîn tabelul periodic al lui Mendeleev se află greutatea lor atomică, calculată în raport cu greutatea atomică a hidrogenului. Adică, cu alte cuvinte, hidrogenul și greutatea sa atomică este piatra de temelie a tabelului periodic, punctul de sprijin pe baza căruia marele chimist și-a creat sistemul. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că hidrogenul ocupă un loc onorabil în tabelul periodic.

    În plus, hidrogenul are următoarele caracteristici:

    • Masa atomică a hidrogenului este de 1,00795.
    • Hidrogenul are trei izotopi, fiecare având proprietăți individuale.
    • Hidrogenul este un element ușor cu densitate scăzută.
    • Hidrogenul are proprietăți reducătoare și oxidante.
    • Când vine în contact cu metalele, hidrogenul acceptă electronii acestora și devine un agent oxidant. Astfel de compuși se numesc hidrați.

    Hidrogenul este un gaz; molecula sa este formată din doi atomi.

    Așa arată schematic o moleculă de hidrogen.

    Hidrogenul molecular, format din astfel de molecule diatomice, explodează atunci când este adus la un chibrit arzând. În timpul unei explozii, o moleculă de hidrogen se descompune în atomi, care se transformă în nuclee de heliu. Este exact ceea ce se întâmplă cu Soarele și alte stele - din cauza dezintegrării constante a moleculelor de hidrogen, steaua noastră arde și ne încălzește cu căldura sa.

    Proprietățile fizice ale hidrogenului

    Hidrogenul are următoarele proprietăți fizice:

    • Punctul de fierbere al hidrogenului este de 252,76 °C;
    • Și la o temperatură de 259,14 °C începe deja să se topească.
    • Hidrogenul este ușor solubil în apă.
    • Hidrogenul pur este o substanță explozivă și inflamabilă foarte periculoasă.
    • Hidrogenul este de 14,5 ori mai ușor decât aerul.

    Proprietățile chimice ale hidrogenului

    Deoarece hidrogenul poate fi în situatii diferite Atât un agent oxidant, cât și un agent reducător, este folosit pentru a efectua reacții și sinteze.

    Proprietățile oxidante ale hidrogenului interacționează cu metalele active (de obicei alcaline și alcalino-pământoase), rezultatul acestor interacțiuni este formarea de hidruri - compuși asemănătoare sărurilor. Cu toate acestea, hidruri se formează și în reacțiile hidrogenului cu puțin metale active.

    Proprietățile reducătoare ale hidrogenului au capacitatea de a reduce metalele la substanțe simple din oxizii lor, în industrie aceasta se numește hidrogenotermie.

    Cum să obțineți hidrogen?

    Printre mijloacele industriale de producere a hidrogenului se numără:

    • gazificarea carbunelui,
    • reformarea cu abur a metanului,
    • electroliză.

    În laborator, hidrogenul poate fi obținut:

    • în timpul hidrolizei hidrururilor metalice,
    • când metalele alcaline și alcalino-pământoase reacţionează cu apa,
    • când acizii diluați interacționează cu metalele active.

    Aplicații ale hidrogenului

    Deoarece hidrogenul este de 14 ori mai ușor decât aerul, acesta vremurile de demult erau umplute cu baloaneși dirijabile. Dar, după o serie de dezastre care au avut loc cu dirijabilele, proiectanții au fost nevoiți să caute un înlocuitor pentru hidrogen (nu uitați, hidrogenul pur este o substanță explozivă, iar cea mai mică scânteie a fost suficientă pentru a provoca o explozie).

    Explozia dirijabilului Hindenburg din 1937, cauza exploziei a fost tocmai aprinderea hidrogenului (din cauza unui scurtcircuit) pe care zbura această navă imensă.

    Prin urmare, pentru similare aeronaveîn loc de hidrogen, au început să folosească heliu, care este, de asemenea, mai ușor decât aerul; obținerea heliului necesită mai multă muncă, dar nu este la fel de explozivă ca hidrogenul.

    Hidrogenul este folosit și pentru curățare tipuri variate combustibili, în special cei pe bază de petrol și produse petroliere.

    Hidrogen, video

    Și în sfârșit, un videoclip educațional pe tema articolului nostru.


    • În tabelul periodic are propria sa poziție specifică, care reflectă proprietățile pe care le prezintă și vorbește despre ea structura electronica. Cu toate acestea, printre toate există un atom special care ocupă două celule simultan. Este situat în două grupuri de elemente care sunt complet opuse în proprietățile lor. Acesta este hidrogen. Astfel de caracteristici îl fac unic.

    Hidrogenul nu este doar un element, ci și o substanță simplă, precum și componentă mulți compuși complecși, element biogen și organogen. Prin urmare, să luăm în considerare caracteristicile și proprietățile sale mai detaliat.

    Hidrogenul ca element chimic

    Hidrogenul este un element din primul grup al subgrupului principal, precum și al șaptelea grup al subgrupului principal în prima perioadă minoră. Această perioadă este formată din doar doi atomi: heliu și elementul pe care îl luăm în considerare. Să descriem principalele caracteristici ale poziției hidrogenului în tabelul periodic.

    1. Numărul atomic al hidrogenului este 1, numărul de electroni este același și, în consecință, numărul de protoni este același. Masa atomică - 1,00795. Există trei izotopi ai acestui element cu numere de masă 1, 2, 3. Cu toate acestea, proprietățile fiecăruia dintre ei sunt foarte diferite, deoarece o creștere a masei chiar și cu unul pentru hidrogen este imediat dublă.
    2. Faptul că conține doar un electron pe suprafața sa exterioară îi permite să prezinte cu succes atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare. În plus, după donarea unui electron, acesta rămâne cu un orbital liber, care participă la formare legături chimice conform mecanismului donor-acceptor.
    3. Hidrogenul este un agent reducător puternic. Prin urmare, locul său principal este considerat a fi primul grup al subgrupului principal, unde conduce cele mai active metale - alcaline.
    4. Cu toate acestea, atunci când interacționează cu agenți reducători puternici, cum ar fi metalele, poate fi și un agent oxidant, acceptând un electron. Acești compuși se numesc hidruri. Conform acestei caracteristici, conduce subgrupul de halogeni cu care este similar.
    5. Datorită masei sale atomice foarte mici, hidrogenul este considerat cel mai ușor element. În plus, densitatea sa este, de asemenea, foarte scăzută, deci este și un reper pentru ușurință.

    Astfel, este evident că atomul de hidrogen este un element complet unic, spre deosebire de toate celelalte elemente. În consecință, proprietățile sale sunt și ele deosebite, iar substanțele simple și complexe formate sunt foarte importante. Să le luăm în considerare mai departe.

    Substanță simplă

    Dacă vorbim despre acest element ca moleculă, atunci trebuie să spunem că este diatomic. Adică hidrogenul (o substanță simplă) este un gaz. Formula sa empirică va fi scrisă ca H2, iar formula sa grafică va fi scrisă printr-o singură relație sigma H-H. Mecanismul de formare a legăturilor între atomi este covalent nepolar.

    1. Reformarea metanului cu abur.
    2. Gazeificarea cărbunelui - procesul presupune încălzirea cărbunelui la 1000 0 C, rezultând formarea hidrogenului și a cărbunelui cu conținut ridicat de carbon.
    3. Electroliză. Aceasta metoda poate fi utilizat numai pentru soluții apoase de diferite săruri, deoarece topiturile nu conduc la o descărcare de apă la catod.

    Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:

    1. Hidroliza hidrururilor metalice.
    2. Efectul acizilor diluați asupra metalelor active și a activității medii.
    3. Interacțiunea metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apa.

    Pentru a colecta hidrogenul produs, trebuie să țineți eprubeta cu susul în jos. La urma urmei, acest gaz nu poate fi colectat în același mod ca, de exemplu, dioxid de carbon. Acesta este hidrogen, este mult mai ușor decât aerul. Se evaporă rapid, iar în cantități mari explodează atunci când este amestecat cu aer. Prin urmare, eprubeta ar trebui să fie inversată. După umplere, acesta trebuie închis cu un dop de cauciuc.

    Pentru a verifica puritatea hidrogenului colectat, ar trebui să aduceți un chibrit aprins la gât. Dacă bataia este plictisitoare și liniștită, înseamnă că gazul este curat, cu impurități minime ale aerului. Dacă este zgomotos și șuieră, este murdar, cu o mare proporție de componente străine.

    Domenii de utilizare

    Când hidrogenul este ars, se eliberează o cantitate atât de mare de energie (căldură), încât acest gaz este considerat cel mai profitabil combustibil. În plus, este prietenos cu mediul. Cu toate acestea, până în prezent, aplicarea sa în acest domeniu este limitată. Acest lucru se datorează problemelor prost concepute și nerezolvate de sinteză a hidrogenului pur, care ar fi potrivit pentru utilizare ca combustibil în reactoare, motoare și dispozitive portabile, precum și în cazanele de încălzire rezidențiale.

    La urma urmei, metodele de producere a acestui gaz sunt destul de costisitoare, așa că mai întâi este necesar să se dezvolte o metodă specială de sinteză. Una care vă va permite să obțineți produsul în volume mari și la costuri minime.

    Există mai multe domenii principale în care gazul pe care îl luăm în considerare este utilizat.

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

    Evident, hidrogenul este la fel de important, pe atât de abundent în natură. Diferiții compuși pe care îi formează joacă un rol și mai mare.

    Compuși cu hidrogen

    Acestea sunt substanțe complexe care conțin atomi de hidrogen. Există mai multe tipuri principale de astfel de substanțe.

    1. Halogenuri de hidrogen. Formula generala- HHal. Printre acestea, o importanță deosebită este clorura de hidrogen. Este un gaz care se dizolvă în apă pentru a forma o soluție de acid clorhidric. Acest acid este utilizat pe scară largă în aproape toate sintezele chimice. Mai mult, atât organice cât și anorganice. Clorura de hidrogen este un compus cu formula empirică HCL și este unul dintre cele mai mari produse anual în țara noastră. Halogenurile de hidrogen includ, de asemenea, iodură de hidrogen, fluorură de hidrogen și bromură de hidrogen. Toate formează acizii corespunzători.
    2. Volatile Aproape toate sunt gaze destul de otrăvitoare. De exemplu, hidrogen sulfurat, metan, silan, fosfină și altele. În același timp, sunt foarte inflamabile.
    3. Hidrurile sunt compuși cu metale. Ele aparțin clasei sărurilor.
    4. Hidroxizi: baze, acizi și compuși amfoteri. Ele conțin neapărat atomi de hidrogen, unul sau mai mulți. Exemplu: NaOH, K2, H2SO4 şi altele.
    5. Hidroxid de hidrogen. Acest compus este mai bine cunoscut sub numele de apă. Un alt nume este oxid de hidrogen. Formula empirică arată astfel - H 2 O.
    6. Apă oxigenată. Acesta este un agent oxidant puternic, a cărui formulă este H 2 O 2.
    7. numeroși compusi organici: hidrocarburi, proteine, grasimi, lipide, vitamine, hormoni, uleiuri esentiale si altele.

    Este evident că varietatea de compuși ai elementului pe care îl luăm în considerare este foarte mare. Acest lucru confirmă încă o dată importanța sa ridicată pentru natură și oameni, precum și pentru toate ființele vii.

    - acesta este cel mai bun solvent

    După cum am menționat mai sus, numele comun pentru această substanță este apă. Este format din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen, legați prin legături polare covalente. Molecula de apă este un dipol, asta explică multe dintre proprietățile pe care le prezintă. În special, este un solvent universal.

    Exact la mediu acvatic Aproape toate procesele chimice au loc. Reacțiile interne ale metabolismului plastic și energetic la organismele vii sunt, de asemenea, efectuate folosind oxid de hidrogen.

    Apa este considerată pe bună dreptate cea mai importantă substanță de pe planetă. Se știe că niciun organism viu nu poate trăi fără el. Pe Pământ poate exista în trei stări de agregare:

    • lichid;
    • gaz (abur);
    • solid (gheață).

    În funcție de izotopul hidrogenului inclus în moleculă, se disting trei tipuri de apă.

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

    Rezervele de apă proaspătă protium de pe planetă sunt foarte importante. Există deja o lipsă de ea în multe țări. Sunt dezvoltate metode pentru tratarea apei sărate pentru a produce apă potabilă.

    Peroxidul de hidrogen este un remediu universal

    Acest compus, așa cum sa menționat mai sus, este un excelent agent de oxidare. Cu toate acestea, cu reprezentanți puternici se poate comporta și ca un restaurator. În plus, are un efect bactericid pronunțat.

    Un alt nume pentru acest compus este peroxid. În această formă este utilizat în medicină. O soluție de hidrat cristalin de 3% a compusului în cauză este un medicament medical care este utilizat pentru tratarea rănilor mici în scopul dezinfectării acestora. Cu toate acestea, s-a dovedit că acest lucru crește timpul de vindecare al rănii.

    Peroxidul de hidrogen este, de asemenea, utilizat în combustibilul pentru rachete, în industrie pentru dezinfecție și albire și ca agent de spumare pentru producerea de materiale adecvate (spumă, de exemplu). În plus, peroxidul ajută la curățarea acvariilor, la albirea părului și la albirea dinților. Cu toate acestea, dăunează țesuturilor, așa că nu este recomandat de specialiști în aceste scopuri.

    COLEGIUL DE TEHNOLOGIE ȘI PROIECTAREA INDUSTRIEI UȘOARE MINSK

    Eseu

    disciplina: Chimie

    Subiect: „Hidrogen și compușii săi”

    Pregătite de: Student anul I 343 grupe

    Viskup Elena

    Verificat: Alyabyeva N.V.

    Minsk 2009

    Structura atomului de hidrogen din tabelul periodic

    Stări de oxidare

    Prevalența în natură

    Hidrogenul ca substanță simplă

    Compuși cu hidrogen

    Bibliografie


    Structura atomului de hidrogen din tabelul periodic

    Primul element al tabelului periodic (prima perioadă, numărul de serie 1). Nu are analogie completă cu alte elemente chimice și nu aparține niciunei grupe, prin urmare în tabele este plasat condiționat în grupa IA și/sau grupa VIIA.

    Atomul de hidrogen este cel mai mic și mai ușor dintre atomii tuturor elementelor. Formula electronică a atomului este 1s 1. Forma obișnuită de existență a unui element în stare liberă este o moleculă diatomică.

    Stări de oxidare

    Atomul de hidrogen din compușii cu mai multe elemente electronegative prezintă o stare de oxidare de +1, de exemplu HF, H 2 O etc. Și în compușii cu hidruri metalice, starea de oxidare a atomului de hidrogen este -1, de exemplu NaH, CaH 2 etc. Are o valoare de electronegativitate intermediară între metalele tipice și nemetale. Capabil să reducă catalitic mulți compuși organici din solvenți organici, cum ar fi acidul acetic sau alcoolul: compuși nesaturați la cei saturati, unii compuși de sodiu la amoniac sau amine.

    Prevalența în natură

    Hidrogenul natural este format din doi izotopi stabili - protiu 1 H, deuteriu 2 H și tritiu 3 H. Deuteriul este altfel desemnat ca D, iar tritiul ca T. Sunt posibile diferite combinații, de exemplu NT, HD, TD, H 2, D 2 , T2. Hidrogenul este mai frecvent în natură sub formă de diverși compuși cu sulf (H 2 S), oxigen (sub formă de apă), carbon, azot și clor. Mai rar sub formă de compuși cu fosfor, iod, brom și alte elemente. Face parte din toate organismele vegetale și animale, petrol, cărbuni fosili, gaze naturale, o serie de minerale și roci. În stare liberă, se găsește foarte rar în cantități mici - în gazele vulcanice și în produșii de descompunere ai reziduurilor organice. Hidrogenul este cel mai abundent element din Univers (aproximativ 75%). Este o componentă a Soarelui și a majorității stelelor, precum și a planetelor Jupiter și Saturn, care sunt compuse în principal din hidrogen. Pe unele planete, hidrogenul poate exista sub formă solidă.

    Hidrogenul ca substanță simplă

    O moleculă de hidrogen este formată din doi atomi legați printr-o legătură covalentă nepolară. Proprietăți fizice- gaz fara culoare si miros. Se răspândește mai repede decât alte gaze în spațiu, trece prin pori mici și, la temperaturi ridicate, pătrunde relativ ușor în oțel și alte materiale. Are conductivitate termică ridicată.

    Proprietăți chimice. În stare normală la temperaturi scăzute, este inactiv; reacţionează cu fluorul şi clorul fără încălzire (în prezenţa luminii).

    H2 + F22HF H2 +CI2hv 2HCI

    Interacționează mai activ cu nemetale decât cu metalele.

    Atunci când interacționează cu diferite substanțe, poate prezenta atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare.


    Compuși cu hidrogen

    Unul dintre compușii cu hidrogen este halogenii. Ele se formează atunci când hidrogenul se combină cu elemente din grupa VIIA. HF, HCl, HBr și HI sunt gaze incolore, foarte solubile în apă.

    CI2 + H2OHCIO + HCI; HClO-apa clorata

    Deoarece HBr și HI sunt agenți reducători tipici, ei nu pot fi obținuți printr-o reacție de schimb precum HCl.

    CaF2 + H2S04 = CaS04 + 2HF

    Apa este cel mai comun compus de hidrogen din natură.

    2H2 + O2 = 2H2O

    Nu are nici culoare, nici gust, nici miros. Un electrolit foarte slab, dar reacționează activ cu multe metale și nemetale, oxizi bazici și acizi.

    2H2O + 2Na = 2NaOH + H2

    H2O + BaO = Ba(OH)2

    3H2O + P2O5 = 2H3PO4

    Apa grea (D 2 O) este o varietate izotopică de apă. Solubilitatea substanțelor în apă grea este mult mai mică decât în ​​apa obișnuită. Apa grea este otrăvitoare deoarece încetinește procesele biologice în organismele vii. Se acumulează în reziduurile de electroliză în timpul electrolizei repetate a apei. Folosit ca lichid de răcire și moderator de neutroni în reactoare nucleare.

    Hidrurile sunt interacțiunea hidrogenului cu metale (la temperaturi ridicate) sau nemetale mai puțin electronegative decât hidrogenul.

    Si + 2H2 = SiH4

    Hidrogenul însuși a fost descoperit în prima jumătate a secolului al XVI-lea. Paracelsus. În 1776, G. Cavendish a investigat pentru prima dată proprietățile sale, în 1783-1787, A. Lavoisier a arătat că hidrogenul face parte din apă, l-a inclus în lista elementelor chimice și a propus denumirea de „hidrogen”.


    Bibliografie

    1. M.B. Volovich, O.F. Kabardin, R.A. Lidin, L.Yu. Alikberova, V.S. Rokhlov, V.B. Pyatunin, Yu.A. Simagin, S.V. Simonovich/Manualul școlarului/Moscova „AST-PRESS BOOK” 2003.

    2. I.L. Knunyats / Enciclopedia chimică / „Enciclopedia sovietică” din Moscova 1988

    3. I.E. Shimanovich / Chimie 11 / Minsk „Asveta Poporului” 2008

    4. F. Cotton, J. Wilkinson/Modern Chimie anorganică/ Moscova „Pace” 1969

    Hidrogen. Proprietăți, producție, aplicare.

    Referință istorică

    Hidrogenul este primul element al PSHE D.I. Mendeleev.

    Denumirea rusă pentru hidrogen indică faptul că „da naștere apei”; latină" hidrogeniu" inseamna acelasi lucru.

    Eliberarea de gaz inflamabil în timpul interacțiunii anumitor metale cu acizi a fost observată pentru prima dată de Robert Boyle și contemporanii săi în prima jumătate a secolului al XVI-lea.

    Dar hidrogenul a fost descoperit abia în 1766 de chimistul englez Henry Cavendish, care a stabilit că atunci când metalele interacționează cu acizii diluați, este eliberat un anumit „aer inflamabil”. Observând arderea hidrogenului în aer, Cavendish a descoperit că apă a apărut ca rezultat. Asta a fost în 1782.

    În 1783, chimistul francez Antoine-Laurent Lavoisier a izolat hidrogenul prin descompunerea apei cu fier fierbinte. În 1789, hidrogenul a fost eliberat prin descompunerea apei sub influența unui curent electric.

    Prevalența în natură

    Hidrogenul este elementul principal al spațiului. De exemplu, Soarele este format din hidrogen 70% din masa sa. Există câteva zeci de mii de ori mai mulți atomi de hidrogen în Univers decât toți atomii tuturor metalelor combinate.

    ÎN atmosfera pământului există și ceva hidrogen în formă substanță simplă– gaz de compoziție H2. Hidrogenul este mult mai ușor decât aerul și, prin urmare, se găsește în straturile superioare ale atmosferei.

    Dar există mult mai mult hidrogen legat pe Pământ: la urma urmei, face parte din apă, cea mai răspândită pe planeta noastră. substanță complexă. Petrolul, gazele naturale, multe minerale și roci conțin hidrogen legat în molecule. Hidrogenul face parte din toate substanțele organice.

    Caracteristicile elementului hidrogen.

    Hidrogenul are o natură dublă; din acest motiv, în unele cazuri, hidrogenul este plasat în subgrupul de metale alcaline, iar în altele - în subgrupul de halogeni.


    • Configuratie electronica 1s 1 . Un atom de hidrogen este format dintr-un proton și un electron.

    • Atomul de hidrogen este capabil să piardă un electron și să devină un cation H + și, în acest sens, este similar cu metalele alcaline.

    • Un atom de hidrogen poate adăuga și un electron, formând astfel un anion H; în acest sens, hidrogenul este similar cu halogenii.

    • Întotdeauna monovalent în compuși

    • CO: +1 și -1.

    Proprietățile fizice ale hidrogenului

    Hidrogenul este un gaz, incolor, insipid și inodor. De 14,5 ori mai ușor decât aerul. Puțin solubil în apă. Are conductivitate termică ridicată. La t= –253 °С se lichefiază, la t= –259 °С se întărește. Moleculele de hidrogen sunt atât de mici încât sunt capabile să difuzeze încet prin multe materiale - cauciuc, sticlă, metale, care este folosit pentru a purifica hidrogenul din alte gaze.

    Se cunosc 3 izotopi ai hidrogenului: - protiu, - deuteriu, - tritiu. Partea principală a hidrogenului natural este protiul. Deuteriul face parte din apa grea, care este îmbogățită cu suprafata apei ocean. Tritiul este un izotop radioactiv.

    Proprietățile chimice ale hidrogenului

    Hidrogenul este un nemetal și are structura moleculara. O moleculă de hidrogen este formată din doi atomi legați printr-o legătură covalentă nepolară. Energia de legare într-o moleculă de hidrogen este de 436 kJ/mol, ceea ce explică activitatea chimică scăzută a hidrogenului molecular.


    1. Interacțiunea cu halogenii. La temperaturi obișnuite, hidrogenul reacționează numai cu fluor:
    H2 + F2 = 2HF.

    Cu clor - numai în lumină, formând acid clorhidric; cu brom, reacția se desfășoară mai puțin energic; cu iod, nu se finalizează nici măcar la temperaturi ridicate.


    1. Interacțiunea cu oxigenul - la încălzire, la aprindere, reacția are loc cu o explozie: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
    Hidrogenul arde în oxigen, eliberând cantitate mare căldură. Temperatura flăcării hidrogen-oxigen este de 2800 °C.

    Un amestec de 1 parte oxigen și 2 părți hidrogen este un „amestec exploziv” și este cel mai exploziv.


    1. Interacțiune cu sulful - atunci când este încălzit H2 + S = H2S.

    2. Interacțiunea cu azotul. Cu căldură, presiune mare și în prezența unui catalizator:
    3H2 + N2 = 2NH3.

    1. Interacțiunea cu oxidul nitric (II). Folosit în sistemele de curățare în timpul producției acid azotic: 2NO + 2H2 = N2 + 2H2O.

    2. Interacțiunea cu oxizii metalici. Hidrogenul este un bun reducător; reduce multe metale din oxizii lor: CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

    3. Hidrogenul atomic este un agent reducător puternic. Se formează din descărcări electrice moleculare în condiții de joasă presiune. Are activitate reducătoare mare hidrogen în momentul eliberării, format atunci când un metal este redus cu acid.

    4. Interacțiunea cu metalele active . La temperaturi ridicate, se combină cu metale alcaline și alcalino-pământoase și formează substanțe cristaline albe - hidruri de metal, prezentând proprietățile unui agent oxidant: 2Na + H 2 = 2NaH;
    Ca + H2 = CaH2.

    Producția de hidrogen

    In laborator:


    1. Interacțiunea metalului cu soluțiile diluate de acizi sulfuric și clorhidric,
    Zn + 2HCI = ZnCI2 + H2.

    1. Interacțiunea aluminiului sau siliciului cu soluții apoase de alcalii:
    2Al + 2NaOH + 10H20 = 2Na + 3H2;

    Si + 2NaOH + H20 = Na2SiO3 + 2H2.

    In industrie:


    1. Electroliza soluțiilor apoase de cloruri de sodiu și potasiu sau electroliza apei în prezența hidroxizilor:
    2NaCI + 2H20 = H2 + CI2 + 2NaOH;

    2H2O = 2H2 + O2.


    1. Metoda de conversie. În primul rând, apa gazoasă este obținută prin trecerea vaporilor de apă prin cocs fierbinte la 1000 °C:
    C + H20 = CO + H2.

    Apoi, monoxidul de carbon (II) este oxidat în monoxid de carbon (IV) prin trecerea unui amestec de apă gazoasă cu exces de vapori de apă peste un catalizator Fe 2 O 3 încălzit la 400-450 ° C:

    CO +H2O = CO2 + H2.

    Monoxidul de carbon (IV) rezultat este absorbit de apă și 50% din hidrogenul industrial este produs în acest fel.


    1. Conversia metanului: CH4 + H2O = CO + 3H2.
    Reacția are loc în prezența unui catalizator de nichel la 800 °C.

    1. Descompunerea termică a metanului la 1200 °C: CH 4 = C + 2H 2.

    2. Răcirea profundă (până la -196 °C) a gazului cuptorului de cocs. La această temperatură, toate substanțele gazoase, cu excepția hidrogenului, condensează.
    Aplicații ale hidrogenului

    Utilizarea hidrogenului se bazează pe proprietățile sale fizice și chimice:


    • ca gaz ușor, se folosește la umplerea baloanelor (amestecate cu heliu);

    • flacara oxigen-hidrogen se foloseste la obtinerea de temperaturi ridicate la sudarea metalelor;

    • ca agent reducător se folosește la obținerea metalelor (molibden, wolfram etc.) din oxizii acestora;

    • pentru producerea de amoniac și combustibil lichid artificial, pentru hidrogenarea grăsimilor.