Hidrogenul H este un element chimic, unul dintre cele mai comune din Universul nostru. Masa hidrogenului ca element în compoziția substanțelor este de 75% din conținutul total de atomi de alt tip. Este inclusă în cea mai importantă și vitală conexiune de pe planetă - apa. O caracteristică distinctivă a hidrogenului este, de asemenea, că este primul element din sistemul periodic de elemente chimice al lui D. I. Mendeleev.
Descoperire și explorare
Primele referiri la hidrogen din scrierile lui Paracelsus datează din secolul al XVI-lea. Dar izolarea sa de amestecul gazos al aerului și studiul proprietăților combustibile au fost deja făcute în secolul al XVII-lea de către omul de știință Lemery. Hidrogenul a fost studiat amănunțit de chimistul, fizicianul și naturalistul englez Henry Cavendish, 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 în funcție de poziția în PSHE
Element care se deschidetabelul periodic al lui D. I. Mendeleev, este hidrogen. Proprietățile fizice și chimice ale atomului prezintă o oarecare dualitate, deoarece hidrogenul este atribuit simultan primului grup, subgrupului principal, dacă se comportă ca un metal și cedează un singur electron în procesul unei reacții chimice și al șaptelea - în cazul umplerii complete a învelișului de valență, adică particule negative de recepție, care o caracterizează ca fiind similară cu halogenii.
Caracteristici ale structurii electronice a elementului
Proprietățile atomului de hidrogen, substanțele complexe din care face parte și cea mai simplă substanță H2 sunt determinate în primul rând de configurația electronică a hidrogenului. Particula are un electron cu Z=(-1), care se rotește pe orbita sa în jurul nucleului, conținând un proton cu unitatea de masă și sarcină pozitivă (+1). Configurația sa electronică este scrisă ca 1s1, ceea ce înseamnă prezența unei particule negative în primul și singurul orbital s pentru hidrogen.
Când un electron este desprins sau cedat, 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
Dacă descriem pe scurt proprietățile fizice ale hidrogenului, atunci acesta este un gaz incolor, ușor solubil, cu o masă atomică relativă egală cu 2, de 14,5 ori mai ușoară decât aerul, cu o temperaturălichefiere de -252,8 grade Celsius.
Puteți vedea cu ușurință din experiență 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 plin cu CO2 va ajunge la sol mai repede decât oricine altcineva, după el amestecul de aer umflat va coborî, iar cel care conține H2 se va ridica până la tavan.
Masa și dimensiunea mică a particulelor de hidrogen justifică capacitatea sa de a pătrunde prin diferite substanțe. Pe exemplul aceleiași mingi, acest lucru este ușor de verificat, în câteva zile se va dezumfla, deoarece gazul va trece pur și simplu prin cauciuc. De asemenea, hidrogenul se poate acumula în structura unor metale (paladiu sau platină) și se poate evapora din acesta când temperatura crește.
Proprietatea de solubilitate scăzută a hidrogenului este utilizată în practica de laborator pentru izolarea acestuia prin metoda deplasării apei. Proprietățile fizice ale hidrogenului (tabelul de mai jos conține principalii parametri) determină domeniul de aplicare al acestuia și metodele de producție.
| Parametru al unui atom sau al unei molecule a unei substanțe simple | Semnificat |
| Masa atomică (masă molară) | 1,008 g/mol |
| Configurație electronică | 1s1 |
| Zare cristalină | Hexagonal |
| Conductivitate termică | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Densitate la n. y. | 0, 08987 g/l |
| Punctul de fierbere | -252, 76 °C |
| Putere calorică specifică | 120, 9 106 J/kg |
| Punctul de topire | -259, 2 °C |
| Solubilitate în apă | 18, 8ml/L |
Compoziție izotopică
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 și unitate zero. masa. Exemple de atomi care au această proprietate sunt oxigenul, carbonul, clorul, bromul și alții, inclusiv cei radioactivi.
Proprietățile fizice ale hidrogenului 1H, cel mai comun dintre reprezentanții acestui grup, diferă semnificativ de aceleași caracteristici ale omologilor săi. În special, caracteristicile substanțelor în care sunt incluse diferă. Deci, există apă obișnuită și deuteră, care conține în compoziția sa în loc de un atom de hidrogen cu un singur proton, deuteriu 2H - 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 3Н, în nucleu are doi neutroni și un proton.
Metode de obținere și selectare
Metodele de laborator și industriale pentru producerea hidrogenului sunt foarte diferite. Da, în cantități micigazul este produs în principal prin reacții care implică minerale, în timp ce producția pe scară largă utilizează sinteza organică într-o măsură mai mare.
Următoarele interacțiuni chimice sunt utilizate în laborator:
- Reacția metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apa pentru a forma alcalii și gazul dorit.
- Electroliza unei soluții de electrolit apos, H2↑ este eliberat la anod, iar oxigenul este eliberat la catod.
- Descompunerea hidrurilor de metale alcaline cu apă, produsele sunt alcaline și, în consecință, gaz H2↑.
- Reacția acizilor diluați cu metale pentru a forma săruri și H2↑.
- Acțiunea alcaliilor asupra siliciului, aluminiului și zincului favorizează, de asemenea, eliberarea hidrogenului în paralel cu formarea de săruri complexe.
În interes industrial, gazul este obținut prin metode precum:
- Descompunerea termică a metanului în prezența unui catalizator la substanțele sale simple constitutive (350 de grade atinge valoarea unui astfel de indicator ca temperatura) - hidrogen H2↑ și carbon C.
- Trecerea apei vaporoase prin cocs la 1000 de grade Celsius pentru a forma dioxid de carbon CO2 și H2↑ (cea mai comună metodă).
- Conversia metanului gazos pe un catalizator de nichel la temperaturi care ajung la 800 de grade.
- Hidrogenul este un produs secundar al electrolizei soluțiilor apoase de cloruri de potasiu sau de sodiu.
Chimicinteracțiuni: generalități
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 ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
O moleculă 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 al hidrogenului în compoziția altor substanțe, acesta poate acționa atât ca agent oxidant, cât și ca agent reducător.
Substanțe cu care reacționează și formează hidrogen
Interacțiuni elementare pentru a forma substanțe complexe (adesea la temperaturi ridicate):
- Metal alcalin și alcalino-pământos + hidrogen=hidrură.
- Halogen + H2=halogenură de hidrogen.
- Sulf + hidrogen=hidrogen sulfurat.
- Oxigen + H2=apă.
- Carbon + hidrogen=metan.
- Azot + H2=amoniac.
Interacțiune cu substanțe complexe:
- Producerea de gaz de sinteză din monoxid de carbon și hidrogen.
- Recuperarea metalelor din oxizii lor folosind H2.
- Saturația cu hidrogen a substanțelor alifatice nesaturatehidrocarburi.
Legătură de hidrogen
Proprietățile fizice ale hidrogenului sunt de așa natură încât îi permit, fiind în combinație cu un element electronegativ, să formeze un tip special de legătură cu același atom din moleculele vecine care au perechi de electroni neîmpărțiți (de exemplu, oxigenul, 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.
Hidrogen în compuși minerali
Compoziția tuturor acizilor anorganici include 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 disocierea în soluții apoase în mai multe etape. Fiecare proton ulterior se desprinde de restul acidului din ce în ce mai greu. Prin conținutul cantitativ de hidrogeni din mediu se determină aciditatea acestuia.
Hidrogenul conține, de asemenea, grupări hidroxil de baze. În ele, hidrogenul este conectat la un atom de oxigen, ca urmare, starea de oxidare a acestui reziduu alcalin este întotdeauna egală cu (-1). Conținutul de hidroxili din mediu determină bazicitatea acestuia.
Aplicarea în activitățile umane
Butliile cu o substanță, precum și recipientele cu alte gaze lichefiate, cum ar fi oxigenul, au un aspect specific. Sunt vopsite în verde închis cu o inscripție roșu strălucitor „Hydrogen”. Gazul este pompat într-un cilindru sub o presiune de aproximativ 150 de atmosfere. Proprietățile fizice ale hidrogenului, în special ușurința stării gazoase de agregare, sunt folosite pentru a-l umple într-un amestec cu baloane cu heliu, baloane etc.
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 este, de asemenea, implicat în producția de metale (hafniu, germaniu, galiu, siliciu, molibden, wolfram, zirconiu și altele) din oxizi, acționând în reacție ca agent reducător, acizi cianhidric și clorhidric, alcool metilic și lichid artificial. combustibil. Industria alimentară îl folosește pentru a transforma uleiurile vegetale în grăsimi solide.
S-au determinat proprietățile chimice și utilizarea hidrogenului în diferite procese de hidrogenare și hidrogenare a grăsimilor, cărbunilor, hidrocarburilor, uleiurilor și păcurului. Cu ajutorul acestuia se produc pietre prețioase, lămpi cu incandescență, produse metalice sunt forjate și sudate sub influența unei flăcări de oxigen-hidrogen.
