Kimyasalı düşünmeye başlamak ve fiziksel özellikler hidrojen, olağan durumda bu kimyasal elementin gaz halinde olduğu belirtilmelidir. Renksiz hidrojen gazı kokusuz ve tatsızdır. İlk kez, bu kimyasal element, bilim adamı A. Lavoisier'in suyla deneyler yapmasından sonra hidrojen olarak adlandırıldı, sonuçlarına göre dünya bilimi, suyun Hidrojen içeren çok bileşenli bir sıvı olduğunu öğrendi. Bu olay 1787'de meydana geldi, ancak bu tarihten çok önce hidrojen, bilim adamları tarafından "yanıcı gaz" adı altında biliniyordu.
Doğada hidrojen
Bilim adamlarına göre hidrojen yerkabuğu ve suda (toplam suyun yaklaşık %11.2'si). Bu gaz, insanlığın yüzyıllardır dünyanın bağırsaklarından çıkardığı birçok mineralin bir parçasıdır. Kısmen, hidrojenin özellikleri, hayvan ve bitki organizmaları için petrol, doğal gazlar ve kilin karakteristiğidir. Ama içinde saf formu yani periyodik tablonun diğer kimyasal elementleri ile birleştirilmemiştir, bu gaz doğada oldukça nadirdir. Bu gaz volkanik patlamalar sırasında yeryüzüne kaçabilir. Atmosferde eser miktarda serbest hidrojen bulunur.
Hidrojenin kimyasal özellikleri
Hidrojenin kimyasal özellikleri tek tip olmadığından, bu kimyasal element hem Mendeleev sisteminin I. grubuna, hem de sistemin VII. grubuna aittir. Birinci grubun temsilcisi olan hidrojen, aslında, dahil olduğu bileşiklerin çoğunda +1 oksidasyon durumuna sahip bir alkali metaldir. Aynı değerlik, sodyum ve diğer alkali metallerin karakteristiğidir. Bu kimyasal özellikler göz önüne alındığında, hidrojen bu metallere benzer bir element olarak kabul edilir.
Metal hidritlerden bahsediyorsak, hidrojen iyonunun negatif bir değeri vardır - oksidasyon durumu -1'dir. Na + H-, Na + Cl- klorür ile aynı şekilde yapılır. Bu gerçek, Mendeleev sisteminin VII grubuna hidrojen atamasının nedenidir. Hidrojen, sıradan bir ortamda bulunmak şartıyla molekül halinde olup inaktiftir ve ancak kendisi için daha aktif olan metal olmayan maddelerle birleşebilir. Bu tür metaller flor içerir, ışık varlığında hidrojen klor ile birleşir. Hidrojen ısıtılırsa, Mendeleev'in periyodik sisteminin birçok elementiyle reaksiyona girerek daha aktif hale gelir.
Atomik hidrojen, moleküler hidrojenden daha aktif kimyasal özellikler sergiler. Oksijen molekülleri suyu oluşturur - H2 + 1/2O2 = H2O. Hidrojen halojenlerle etkileşime girdiğinde, hidrojen halojenürler H2 + Cl2 = 2HCl oluşur ve hidrojen bu reaksiyona ışık olmadan ve - 252 ° C'ye kadar yeterince yüksek negatif sıcaklıklarda girer. Kimyasal özellikler hidrojen, birçok metalin indirgenmesi için kullanılmasına izin verir, çünkü hidrojen reaksiyona girdiğinde metal oksitlerden oksijeni emer, örneğin CuO + H2 = Cu + H2O. Hidrojen, amonyak oluşumunda yer alır, 3H2 + N2 = 2NH3 reaksiyonunda azot ile etkileşime girer, ancak bir katalizör kullanılması ve sıcaklık ve basıncın arttırılması şartıyla.
Enerjik bir reaksiyon, hidrojen sülfür ile sonuçlanan H2 + S = H2S reaksiyonunda kükürt ile etkileşime girdiğinde meydana gelir. Hidrojenin tellür ve selenyum ile etkileşimi biraz daha az aktiftir. Katalizör yoksa, yalnızca yüksek sıcaklıkların oluşması koşuluyla saf karbon, hidrojen ile reaksiyona girer. 2H2 + C (amorf) = CH4 (metan). Bazı alkali ve diğer metallerle hidrojen aktivitesi sürecinde, örneğin H2 + 2Li = 2LiH gibi hidritler elde edilir.
Hidrojenin fiziksel özellikleri
Hidrojen çok hafif bir kimyasaldır. En azından bilim adamları şu anda hidrojenden daha hafif bir madde olmadığını iddia ediyorlar. Kütlesi havadan 14,4 kat daha hafiftir, yoğunluğu 0°C'de 0,0899 g/l'dir. -259.1 ° C sıcaklıklarda, hidrojen erime yeteneğine sahiptir - bu, çoğu kimyasal bileşiğin bir durumdan diğerine dönüşümü için tipik olmayan çok kritik bir sıcaklıktır. Sadece helyum gibi bir element, bu bağlamda hidrojenin fiziksel özelliklerini aşar. Kritik sıcaklığı (-240°C) olduğu için hidrojenin sıvılaştırılması zordur. Hidrojen, insanlık tarafından bilinen en ısı üreten gazdır. Yukarıda açıklanan tüm özellikler, insan tarafından belirli amaçlar için kullanılan hidrojenin en önemli fiziksel özellikleridir. Ayrıca, bu özellikler modern bilim için en alakalı olanlardır.
Hidrojen H Evrendeki en yaygın elementtir (kütlece yaklaşık %75), Dünya'da ise en yaygın dokuzuncu elementtir. En önemli doğal hidrojen bileşiği sudur.
Hidrojen periyodik cetvelde (Z=1) ilk sırada yer alır. Bir atomun en basit yapısına sahiptir: Bir atomun çekirdeği 1 elektrondan oluşan bir elektron bulutu ile çevrili 1 protondur.
Bazı koşullar altında, hidrojen metalik özellikler gösterir (bir elektron verir), diğerlerinde - metalik değildir (bir elektron kabul eder).
Hidrojen izotopları doğada bulunur: 1H - protium (çekirdek bir protondan oluşur), 2H - döteryum (D - çekirdek bir proton ve bir nötrondan oluşur), 3H - trityum (T - çekirdek bir proton ve iki atomdan oluşur) nötronlar).
basit madde hidrojen
Hidrojen molekülü, polar olmayan bir kovalent bağ ile bağlanmış iki atomdan oluşur.
fiziksel özellikler. Hidrojen renksiz, toksik olmayan, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Hidrojen molekülü polar değildir. Bu nedenle, gaz halindeki hidrojende moleküller arası etkileşim kuvvetleri küçüktür. Bu kendini gösterir Düşük sıcaklık kaynama (-252.6 0С) ve erime (-259.2 0С).
Hidrojen havadan daha hafiftir, D (havada) = 0.069; suda az çözünür (100 hacim H2O içinde 2 hacim H2 çözünür). Bu nedenle hidrojen laboratuvarda üretildiğinde hava veya su ile yer değiştirme yöntemleriyle toplanabilir.
hidrojen elde etmek
laboratuvarda:
1. Seyreltik asitlerin metaller üzerindeki etkisi:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H2
2. Alkali etkileşimi ve sh-z metaller su ile:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3. Hidritlerin hidrolizi: metal hidritler, karşılık gelen alkali ve hidrojenin oluşumuyla su tarafından kolayca ayrışır:
NaH + H20 → NaOH + H2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2
4. Alkalilerin çinko veya alüminyum veya silikon üzerindeki etkisi:
2Al + 2NaOH + 6H20 → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Su elektrolizi. Suyun elektriksel iletkenliğini arttırmak için, örneğin NaOH, H2S04 veya Na2S04 gibi bir elektrolit eklenir. Katotta, anotta - 1 hacim oksijende 2 hacim hidrojen oluşur.
2H 2 O → 2H 2 + O 2
Hidrojenin endüstriyel üretimi
1. Metanın buharla dönüştürülmesi, Ni 800 °C (en ucuz):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Toplamda:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. 1000 o C'de sıcak kok vasıtasıyla su buharı:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Ortaya çıkan karbon monoksit (IV) su tarafından emilir, bu şekilde endüstriyel hidrojenin %50'si elde edilir.
3. Bir demir veya nikel katalizör varlığında metanı 350°C'ye ısıtarak:
CH 4 → C + 2H 2
4. Bir yan ürün olarak sulu KCl veya NaCl çözeltilerinin elektrolizi:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Hidrojenin kimyasal özellikleri
- Bileşiklerde hidrojen her zaman tek değerlidir. +1 oksidasyon durumuna sahiptir, ancak metal hidritlerde -1'dir.
- Hidrojen molekülü iki atomdan oluşur. Aralarında bir bağın ortaya çıkması, genelleştirilmiş bir elektron çifti H: H veya H 2 oluşumu ile açıklanır.
- Elektronların bu genelleştirilmesinden dolayı, H2 molekülü, kendi atomlarından daha enerjik olarak kararlıdır. Bir molekülü 1 mol hidrojende atomlara ayırmak için 436 kJ'lik bir enerji harcamak gerekir: H 2 \u003d 2H, ∆H ° \u003d 436 kJ / mol
- Bu, normal sıcaklıkta moleküler hidrojenin nispeten düşük aktivitesini açıklar.
- Birçok metal olmayan hidrojen ile RN 4, RN 3, RN 2, RN gibi gazlı bileşikler oluşturur.
1) Halojenlerle hidrojen halojenürler oluşturur:
H2 + Cl2 → 2HCl.
Aynı zamanda flor ile patlar, sadece aydınlatıldığında veya ısıtıldığında klor ve brom ile ve sadece ısıtıldığında iyot ile reaksiyona girer.
2) Oksijen ile:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
ısı çıkışı ile. Sıradan sıcaklıklarda, reaksiyon yavaş yavaş, 550 ° C'nin üzerinde - bir patlama ile ilerler. 2 hacim H2 ve 1 hacim O2 karışımına patlayıcı gaz denir.
3) Isıtıldığında, kükürtle kuvvetli bir şekilde reaksiyona girer (selenyum ve tellür ile çok daha zor):
H 2 + S → H 2 S (hidrojen sülfür),
4) Sadece katalizör üzerinde ve yüksek sıcaklık ve basınçlarda amonyak oluşumu ile nitrojen ile:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) Yüksek sıcaklıklarda karbon ile:
2H 2 + C → CH 4 (metan)
6) Alkali ve toprak alkali metallerle hidrürler oluşturur (hidrojen oksitleyici bir maddedir):
H 2 + 2Li → 2LiH
metal hidritlerde, hidrojen iyonu negatif olarak yüklenir (oksidasyon durumu -1), yani hidrit Na + H - klorür Na + Cl - gibi oluşturulur
Karmaşık maddelerle:
7) Metal oksitlerle (metalleri eski haline getirmek için kullanılır):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) karbon monoksit (II) ile:
CO + 2H 2 → CH3OH
Sentez - gaz (bir hidrojen ve karbon monoksit karışımı) büyük pratik öneme sahiptir, çünkü sıcaklığa, basınca ve katalizöre bağlı olarak, örneğin HCHO, CH30H ve diğerleri gibi çeşitli organik bileşikler oluşur.
9) Doymamış hidrokarbonlar hidrojen ile reaksiyona girerek doymuş hale gelir:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
Periyodik sistemde, hidrojen, özelliklerinde kesinlikle zıt olan iki element grubunda bulunur. Bu özellik onu tamamen benzersiz kılar. Hidrojen sadece bir element veya madde değil, aynı zamanda bir ayrılmaz parça birçok karmaşık bileşik, organojenik ve biyojenik elementler. Bu nedenle, özelliklerini ve özelliklerini daha ayrıntılı olarak ele alıyoruz.
Metallerin ve asitlerin etkileşimi sırasında yanıcı gazın salınması, 16. yüzyılın başlarında, yani bir bilim olarak kimyanın oluşumu sırasında gözlendi. Ünlü İngiliz bilim adamı Henry Cavendish, maddeyi 1766'dan başlayarak inceledi ve ona "yanıcı hava" adını verdi. Yakıldığında, bu gaz su üretti. Ne yazık ki, bilim adamının flojiston teorisine (varsayımsal "aşırı ince madde") bağlılığı, onun doğru sonuçlara varmasını engelledi.
Fransız kimyager ve doğa bilimci A. Lavoisier, mühendis J. Meunier ile birlikte ve özel gazometreler yardımıyla 1783 yılında suyun sentezini ve ardından su buharını kızgın demirle ayrıştırarak analizini gerçekleştirmiştir. Böylece bilim adamları doğru sonuçlara varabildiler. "Yanıcı havanın" sadece suyun bir parçası olmadığını, aynı zamanda ondan da elde edilebileceğini buldular.
1787'de Lavoisier, incelenen gazın basit bir madde olduğunu ve buna göre birincil gazlardan biri olduğunu öne sürdü. kimyasal elementler. Buna hidrojen (Yunanca hydor - su + gennao - doğururum - doğururum) yani "suyu doğurmak" adını verdi.
Rus adı "hidrojen" 1824'te kimyager M. Solovyov tarafından önerildi. Suyun bileşiminin belirlenmesi, "flojiston teorisi"nin sonunu getirdi. 18. ve 19. yüzyılların başında, hidrojen atomunun çok hafif olduğu (diğer elementlerin atomlarına kıyasla) bulundu ve kütlesi, atom kütlelerini karşılaştırmak için ana birim olarak alındı ve 1'e eşit bir değer elde edildi.
Fiziksel özellikler
Hidrojen, bilim tarafından bilinen tüm maddelerin en hafifidir (havadan 14,4 kat daha hafiftir), yoğunluğu 0,0899 g/l'dir (1 atm, 0 °C). Bu malzeme sırasıyla -259.1 ° C ve -252.8 ° C'de erir (katılaşır) ve kaynar (sıvılaşır) (sadece helyum daha düşük kaynama ve erime t ° 'ye sahiptir).
Hidrojenin kritik sıcaklığı son derece düşüktür (-240 °C). Bu nedenle sıvılaştırılması oldukça karmaşık ve maliyetli bir işlemdir. Bir maddenin kritik basıncı 12,8 kgf/cm², kritik yoğunluğu ise 0,0312 g/cm³'tür. Tüm gazlar arasında hidrojen en yüksek termal iletkenliğe sahiptir: 1 atm ve 0 ° C'de 0.174 W / (mxK).
Bir maddenin aynı koşullar altında özgül ısı kapasitesi 14.208 kJ/(kgxK) veya 3.394 cal/(gh°C) dir. Bu element suda az çözünür (1 atm ve 20 ° C'de yaklaşık 0.0182 ml / g), ancak iyi - çoğu metalde (Ni, Pt, Pa ve diğerleri), özellikle paladyumda (hacim başına yaklaşık 850 hacim Pd ) .
İkinci özellik, yayılma kabiliyeti ile ilişkilidir, bir karbon alaşımından (örneğin çelik) difüzyona, hidrojenin karbon ile etkileşimi nedeniyle alaşımın tahrip olması eşlik edebilir (bu işleme dekarbonizasyon denir). Sıvı halde, madde çok hafiftir (yoğunluk - t ° \u003d -253 ° C'de 0,0708 g / cm³) ve akışkandır (aynı koşullar altında viskozite - 13,8 santigrat).
Birçok bileşikte, bu element, sodyum ve diğer alkali metallere benzer şekilde +1 değerlik (oksidasyon durumu) sergiler. Genellikle bu metallerin bir analogu olarak kabul edilir. Buna göre Mendeleev sisteminin I grubuna başkanlık ediyor. Metal hidritlerde, hidrojen iyonu negatif bir yük sergiler (oksidasyon durumu -1'dir), yani Na + H-, Na + Cl- klorüre benzer bir yapıya sahiptir. Buna ve diğer bazı gerçeklere göre ("H" ve halojenlerin fiziksel özelliklerinin yakınlığı, organik bileşiklerde halojenlerle değiştirme yeteneği), Hidrojen Mendeleev sisteminin VII grubuna atanır.
Normal koşullar altında, moleküler hidrojen düşük aktiviteye sahiptir, doğrudan sadece en aktif metal olmayanlarla (flor ve klor ile, ikincisi ile - ışıkta) birleşir. Buna karşılık, ısıtıldığında birçok kimyasal elementle etkileşime girer.
Atomik hidrojen, artan bir kimyasal aktiviteye sahiptir (moleküler hidrojene kıyasla). Oksijen ile aşağıdaki formüle göre su oluşturur:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
285.937 kJ/mol ısı veya 68.3174 kcal/mol (25°C, 1 atm) açığa çıkar. Normal sıcaklık koşulları altında reaksiyon oldukça yavaş ilerler ve t ° >= 550 ° С'de kontrolsüzdür. Hidrojen + oksijen karışımının patlama limitleri hacimce %4–94 H₂'dir ve hidrojen + hava karışımları %4–74 H₂'dir (iki hacim H₂ ve bir hacim O₂ karışımı patlayıcı gaz olarak adlandırılır).
Bu element, oksijeni oksitlerden aldığı için çoğu metali indirgemek için kullanılır:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,
CuO + H₂ = Cu + H₂O vb.
Hidrojen, farklı halojenlerle hidrojen halojenürler oluşturur, örneğin:
H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Bununla birlikte, flor ile reaksiyona girdiğinde, hidrojen patlar (bu aynı zamanda karanlıkta, -252 ° C'de olur), brom ve klor ile yalnızca ısıtıldığında veya aydınlatıldığında ve iyot ile yalnızca ısıtıldığında reaksiyona girer. Azot ile etkileşime girdiğinde, amonyak oluşur, ancak yalnızca bir katalizör üzerinde, yüksek basınçlar ve sıcaklık:
ZN₂ + N₂ = 2NH₃.
Isıtıldığında, hidrojen aktif olarak kükürt ile reaksiyona girer:
H₂ + S = H₂S (hidrojen sülfür),
ve çok daha zor - tellür veya selenyum ile. Hidrojen, saf karbon ile katalizör olmadan reaksiyona girer, ancak yüksek sıcaklıklarda:
2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metan).
Bu madde, bazı metallerle (alkali, toprak alkali ve diğerleri) doğrudan reaksiyona girerek hidrürler oluşturur, örneğin:
Н₂ + 2Li = 2LiH.
Hidrojen ve karbon monoksit (II) etkileşimlerinin pratik önemi hiç de küçük değildir. Bu durumda, basınca, sıcaklığa ve katalizöre bağlı olarak çeşitli organik bileşikler oluşur: HCHO, CH₃OH, vb. Reaksiyon sırasında doymamış hidrokarbonlar doymuş olanlara dönüşür, örneğin:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Hidrojen ve bileşikleri kimyada istisnai bir rol oynar. Sözde asidik özelliklerini belirler. protik asitler, birçok inorganik ve organik bileşiğin özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olan farklı elementlerle hidrojen bağları oluşturma eğilimindedir.
hidrojen elde etmek
Bu elementin endüstriyel üretimi için ana hammadde türleri rafineri gazları, doğal yanıcı ve kok fırın gazlarıdır. Ayrıca elektroliz yoluyla sudan da elde edilir (elektriğin uygun olduğu yerlerde). Doğal gazdan malzeme üretmenin en önemli yöntemlerinden biri, başta metan olmak üzere hidrokarbonların su buharı ile katalitik etkileşimidir (dönüşüm olarak adlandırılır). Örneğin:
CH₄ + H₂O = CO + ZH₂.
Hidrokarbonların oksijen ile eksik oksidasyonu:
CH₄ + ½O₂ \u003d CO + 2H₂.
Sentezlenen karbon monoksit (II) dönüşüme uğrar:
CO + H₂O = CO₂ + H₂.
Doğal gazdan üretilen hidrojen en ucuzudur.
Suyun elektrolizi için, bir NaOH veya KOH çözeltisinden geçen doğru akım kullanılır (ekipmanın korozyonunu önlemek için asitler kullanılmaz). Laboratuvar koşullarında materyal, suyun elektrolizi veya hidroklorik asit ile çinko arasındaki reaksiyon sonucunda elde edilir. Bununla birlikte, daha sık silindirlerde hazır fabrika malzemesi kullanılır.
Rafineri gazlarından ve kok fırını gazından, bu element, derin soğutma sırasında daha kolay sıvılaştıklarından, gaz karışımının diğer tüm bileşenleri kaldırılarak izole edilir.
Endüstriyel olarak, bu malzeme daha sonra geri elde edilmeye başlandı. geç XVIII yüzyıl. Daha sonra balonları doldurmak için kullanıldı. Şu anda hidrojen, endüstride, özellikle kimya endüstrisinde, amonyak üretimi için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Maddenin kitlesel tüketicileri, metil ve diğer alkollerin, sentetik benzinin ve diğer birçok ürünün üreticileridir. Karbon monoksit (II) ve hidrojenden sentez yoluyla elde edilirler. Hidrojen, ağır ve katı sıvı yakıtların, yağların vb. hidrojenasyonu, HCl sentezi, petrol ürünlerinin hidro-işlenmesi ve ayrıca metallerin kesilmesi / kaynağı için kullanılır. Nükleer enerji için en önemli elementler izotoplarıdır - trityum ve döteryum.
Hidrojenin biyolojik rolü
Canlı organizmaların kütlesinin yaklaşık %10'u (ortalama olarak) bu elemente düşer. Suyun ve proteinler, nükleik asitler, lipidler, karbonhidratlar dahil olmak üzere en önemli doğal bileşik gruplarının bir parçasıdır. Neye hizmet ediyor?
Bu materyal belirleyici bir rol oynar: proteinlerin uzamsal yapısının korunmasında (kuaterner), nükleik asitlerin tamamlayıcılığı ilkesinin uygulanmasında (yani, genetik bilginin uygulanması ve depolanmasında), genel olarak, moleküler düzeyde “tanıma”. seviye.
Hidrojen iyonu H+ vücutta önemli dinamik reaksiyonlarda/süreçlerde yer alır. Dahil: Canlı hücrelere enerji sağlayan biyolojik oksidasyonda, biyosentez reaksiyonlarında, bitkilerde fotosentezde, bakteriyel fotosentez ve azot fiksasyonunda, asit-baz dengesinin ve homeostazın korunmasında, membran taşıma süreçlerinde. Karbon ve oksijenle birlikte yaşam olgusunun işlevsel ve yapısal temelini oluşturur.
- Tanımlama - H (Hidrojen);
- Latince adı - Hidrojenyum;
- Dönem - I;
- Grup - 1 (la);
- Atom kütlesi - 1.00794;
- Atom numarası - 1;
- Bir atomun yarıçapı = 53 pm;
- Kovalent yarıçap = 32 pm;
- Elektronların dağılımı - 1s 1;
- erime noktası = -259.14°C;
- kaynama noktası = -252.87°C;
- Elektronegatiflik (Pauling'e göre / Alpred ve Rochov'a göre) \u003d 2.02 / -;
- Oksidasyon durumu: +1; 0; -bir;
- Yoğunluk (n.a.) \u003d 0.0000899 g / cm3;
- Molar hacim = 14,1 cm3 / mol.
Oksijenli hidrojen ikili bileşikleri:
Hidrojen ("suyu doğuran") 1766'da İngiliz bilim adamı G. Cavendish tarafından keşfedildi. Bu doğadaki en basit elementtir - bir hidrojen atomunun bir çekirdeği ve bir elektronu vardır, muhtemelen bu nedenle hidrojen evrendeki en yaygın elementtir (çoğu yıldızın kütlesinin yarısından fazlası).
Hidrojen hakkında "makara küçük ama pahalı" diyebiliriz. "Basitliğine" rağmen, hidrojen dünyadaki tüm canlılara enerji verir - sürekli bir termonükleer reaksiyon dört hidrojen atomundan bir helyum atomunun oluştuğu, bu süreç muazzam miktarda enerjinin serbest bırakılmasıyla birlikte (daha fazla ayrıntı için, bkz. Nükleer füzyon).
Yerkabuğunda, hidrojenin kütle oranı sadece %0,15'tir. Bu arada, Dünya'da bilinen tüm kimyasalların büyük çoğunluğu (%95) bir veya daha fazla hidrojen atomu içerir.
Metal olmayan bileşiklerde (HCl, H20, CH 4 ...), hidrojen tek elektronunu daha elektronegatif elementlere verir, +1 oksidasyon durumu gösterir (daha sık), sadece oluşturur kovalent bağlar(bkz. Kovalent bağ).
Metalli bileşiklerde (NaH, CaH 2 ...), hidrojen, aksine, tek s-orbitalini bir elektron daha alır, böylece elektron katmanını tamamlamaya çalışır ve -1 oksidasyon durumunu gösterir (daha az sıklıkla) , daha sık bir iyonik bağ oluşturur (bkz. İyonik bağ), çünkü bir hidrojen atomunun ve bir metal atomunun elektronegatifliğindeki fark oldukça büyük olabilir.
H2
Gaz halinde hidrojen, polar olmayan bir kovalent bağ oluşturan iki atomlu moleküller şeklindedir.
Hidrojen molekülleri şunları içerir:
- büyük hareketlilik;
- büyük güç;
- düşük polarizasyon;
- küçük boyut ve ağırlık.
Hidrojen gazının özellikleri:
- doğadaki en hafif gaz, renksiz ve kokusuz;
- suda ve organik çözücülerde az çözünür;
- sıvı ve katı metallerde (özellikle platin ve paladyumda) az miktarda çözünür;
- sıvılaştırılması zor (düşük polarize edilebilirliği nedeniyle);
- bilinen tüm gazların en yüksek termal iletkenliğine sahiptir;
- ısıtıldığında, bir indirgeyici maddenin özelliklerini göstererek birçok metal olmayanla reaksiyona girer;
- oda sıcaklığında flor ile reaksiyona girer (bir patlama meydana gelir): H 2 + F 2 = 2HF;
- oksitleyici özellikler göstererek hidrürler oluşturmak üzere metallerle reaksiyona girer: H2 + Ca = CaH2;
Bileşiklerde hidrojen, indirgeyici özelliklerini oksitleyici olanlardan çok daha güçlü bir şekilde sergiler. Hidrojen, kömür, alüminyum ve kalsiyumdan sonra en güçlü indirgeyici ajandır. Hidrojenin indirgeyici özellikleri, endüstride oksitlerden ve galidlerden metaller ve metal olmayanlar (basit maddeler) elde etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O
Hidrojenin basit maddelerle reaksiyonları
Hidrojen bir elektronu kabul eder ve bu rolü oynar. indirgen madde, reaksiyonlarda:
- İle birlikte oksijen(ateşlendiğinde veya bir katalizör varlığında), 2:1 (hidrojen:oksijen) oranında patlayıcı bir infilaklı gaz oluşur: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 +1 O + 572 kJ
- İle birlikte gri(150°C-300°C'ye ısıtıldığında): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
- İle birlikte klor(ateşlendiğinde veya UV ışınlarıyla ışınlandığında): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H +1 Cl
- İle birlikte flor: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
- İle birlikte azot(katalizörlerin varlığında ısıtıldığında veya yüksek basınç): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1
Hidrojen bir elektron bağışlayarak bu rolü oynar. oksitleyici ajan ile tepkimelerde alkali ve Alkalin toprak metal hidrürler oluşturmak için metaller - hidrit iyonları H içeren tuz benzeri iyonik bileşikler - beyaz renkli kararsız kristal maddelerdir.
Ca + H 2 \u003d CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \u003d 2NaH -1
Hidrojenin -1 oksidasyon durumu sergilemesi nadirdir. Su ile reaksiyona giren hidritler ayrışır ve suyu hidrojene indirger. Kalsiyum hidrürün su ile reaksiyonu aşağıdaki gibidir:
CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2
Hidrojenin karmaşık maddelerle reaksiyonları
- yüksek sıcaklıkta hidrojen birçok metal oksidi azaltır: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
- hidrojenin karbon monoksit (II) ile reaksiyonu sonucunda metil alkol elde edilir: 2H 2 + CO → CH30H
- hidrojenasyon reaksiyonlarında, hidrojen birçok organik madde ile reaksiyona girer.
Daha ayrıntılı olarak, hidrojen ve bileşiklerinin kimyasal reaksiyonlarının denklemleri "Hidrojen ve bileşikleri - hidrojen içeren kimyasal reaksiyonların denklemleri" sayfasında ele alınmaktadır.
Hidrojen uygulaması
- nükleer enerjide hidrojen izotopları kullanılır - döteryum ve trityum;
- kimya endüstrisinde, hidrojen birçok maddenin sentezi için kullanılır. organik madde, amonyak, hidrojen klorür;
- gıda endüstrisinde, bitkisel yağların hidrojenasyonu yoluyla katı yağların üretiminde hidrojen kullanılır;
- metalleri kaynaklamak ve kesmek için oksijende yüksek bir hidrojen yanma sıcaklığı (2600 ° C) kullanılır;
- bazı metallerin üretiminde indirgeyici madde olarak hidrojen kullanılır (yukarıya bakın);
- hidrojen hafif bir gaz olduğundan, havacılıkta balonlar, balonlar, hava gemileri için dolgu maddesi olarak kullanılır;
- Yakıt olarak hidrojen, CO ile karıştırılarak kullanılır.
AT son zamanlar bilim adamları, alternatif yenilenebilir enerji kaynakları arayışına çok dikkat ediyorlar. Gelecek vaat eden alanlardan biri, hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı ve yanma ürünü sıradan su olan "hidrojen" enerjisidir.
Hidrojen üretme yöntemleri
Hidrojen üretimi için endüstriyel yöntemler:
- bir nikel katalizör üzerinde yüksek sıcaklıkta (800°C) su buharı ile metan dönüşümü (su buharının katalitik indirgenmesi): CH4 + 2H20 = 4H2 + CO2;
- karbon monoksitin bir Fe203 katalizörü üzerinde buharla dönüştürülmesi (t=500°C): CO + H20 = CO2 + H2;
- metanın termal ayrışması: CH 4 \u003d C + 2H 2;
- gazlaştırma katı yakıtlar(t=1000°C): C + H20 = CO + H2;
- suyun elektrolizi (çok saf hidrojenin elde edildiği çok pahalı bir yöntem): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.
Hidrojen üretimi için laboratuvar yöntemleri:
- hidroklorik veya seyreltik sülfürik asitli metaller (genellikle çinko) üzerinde etki: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H2; Zn + H2SO4 \u003d ZnSO 4 + H2;
- su buharının sıcak demir talaşı ile etkileşimi: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.
TANIM
Hidrojen- ilk eleman Periyodik sistem kimyasal elementler D.I. Mendeleyev. Sembol N'dir.
Atom kütlesi - 1 am.u. Hidrojen molekülü iki atomludur - H2.
Hidrojen atomunun elektronik konfigürasyonu 1s 1'dir. Hidrojen, s-element ailesine aittir. Bileşiklerinde -1, 0, +1 oksidasyon durumları sergiler. Doğal hidrojen, iki kararlı izotoptan oluşur - protium 1 H (%99.98) ve döteryum 2H (D) (%0.015) - ve trityum 3H'nin (T) radyoaktif izotopu (eser miktarlar, yarı ömür - 12.5 yıl) .
Hidrojenin kimyasal özellikleri
Normal koşullar altında, moleküler hidrojen, moleküldeki yüksek bağ kuvveti ile açıklanan nispeten düşük bir reaktivite sergiler. Isıtıldığında, ana alt grupların elemanları tarafından oluşturulan hemen hemen tüm basit maddelerle etkileşime girer (soy gazlar, B, Si, P, Al hariç). Kimyasal reaksiyonlarda, hem indirgeyici ajan (daha sık) hem de oksitleyici ajan (daha az sıklıkla) olarak hareket edebilir.
Hidrojen tezahürleri indirgeyici ajan özellikleri(H 2 0 -2e → 2H +) aşağıdaki reaksiyonlarda:
1. Basit maddelerle etkileşim reaksiyonları - metal olmayanlar. hidrojen reaksiyona girer halojenler ile ayrıca, normal koşullar altında, karanlıkta, bir patlama ile, klor ile - aydınlatma altında (veya UV ışıması) bir zincir mekanizması ile, sadece ısıtıldığında brom ve iyot ile flor ile etkileşimin reaksiyonu; oksijen(2:1 hacim oranında oksijen ve hidrojen karışımına "patlayıcı gaz" denir), gri, azot ve karbon:
H 2 + Hal 2 \u003d 2HHal;
2H 2 + O 2 \u003d 2H20 + Q (t);
H 2 + S \u003d H 2 S (t \u003d 150 - 300C);
3H2 + N2 ↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);
2H 2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).
2. Karmaşık maddelerle etkileşim reaksiyonları. hidrojen reaksiyona girer düşük aktif metallerin oksitleri ile, ve sadece çinkonun sağındaki aktivite serisinde bulunan metalleri indirgeyebilmektedir:
CuO + H2 \u003d Cu + H20 (t);
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);
WO 3 + 3H 2 \u003d W + 3H20 (t).
hidrojen reaksiyona girer metal olmayan oksitlerle:
H2 + CO2 ↔ CO + H20 (t);
2H 2 + CO ↔ CH30H (t = 300C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).
Hidrojen, sikloalkanlar, alkenler, arenler, aldehitler ve ketonlar vb. sınıfının organik bileşikleri ile hidrojenasyon reaksiyonlarına girer. Tüm bu reaksiyonlar ısıtma altında, basınç altında gerçekleştirilir, platin veya nikel katalizör olarak kullanılır:
CH2 \u003d CH2 + H2 ↔ CH3 -CH3;
C6H6 + 3H2↔ C6H12;
C3H6 + H2↔ C3H8;
CH3CHO + H2↔ CH3-CH2-OH;
CH3 -CO-CH3 + H2 ↔ CH3 -CH (OH) -CH3.
Hidrojen oksitleyici ajan olarak(H 2 + 2e → 2H -) alkali ve toprak alkali metallerle reaksiyona girer. Bu durumda, hidritler oluşur - hidrojenin -1 oksidasyon durumu sergilediği kristalli iyonik bileşikler.
2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).
Ca + H2 ↔ CaH2 (t, p).
Hidrojenin fiziksel özellikleri
Hidrojen hafif renksiz bir gazdır, kokusuzdur, yoğunluğu n.o. - 0.09 g/l, havadan 14,5 kat daha hafif, t balya = -252.8C, t pl = - 259.2C. Hidrojen suda ve organik çözücülerde az çözünür, bazı metallerde yüksek oranda çözünür: nikel, paladyum, platin.
Modern kozmokimyaya göre, hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Hidrojenin uzayda varlığının ana şekli bireysel atomlardır. Hidrojen, Dünya'da en bol bulunan 9. elementtir. Dünyadaki ana hidrojen miktarı bağlı durumdadır - su, petrol, doğal gaz, kömür vb. Bileşiminde. Basit bir madde şeklinde, hidrojen nadiren bulunur - volkanik gazların bileşiminde.
hidrojen elde etmek
Hidrojen üretimi için laboratuvar ve endüstriyel yöntemler vardır. Laboratuvar yöntemleri, metallerin asitlerle (1) etkileşiminin yanı sıra alüminyumun sulu alkali çözeltileriyle (2) etkileşimini içerir. Hidrojen üretmeye yönelik endüstriyel yöntemler arasında, alkalilerin ve tuzların sulu çözeltilerinin elektrolizi (3) ve metanın dönüştürülmesi (4) önemli bir rol oynar:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);
2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na +3 H2 (2);
2NaCl + 2H20 = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);
CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).
Problem çözme örnekleri
ÖRNEK 1
| Egzersiz yapmak | 23.8 g metalik kalay fazla hidroklorik asit ile etkileşime girdiğinde, 12.8 g metalik bakır elde etmek için yeterli bir miktarda hidrojen açığa çıktı, Elde edilen bileşikteki kalayın oksidasyon derecesini belirleyin. |
| Çözüm | Temelli elektronik yapı kalay atomu (...5s 2 5p 2) kalayın iki oksidasyon durumu ile karakterize edildiği sonucuna varabiliriz - +2, +4. Buna dayanarak, olası reaksiyonların denklemlerini oluşturacağız: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H2 \u003d Cu + H20 (3). Bakır madde miktarını bulun: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Denklem 3'e göre, hidrojen maddesinin miktarı: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Kalay kütlesini bilerek, madde miktarını buluruz: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Kalay ve hidrojen maddelerinin miktarlarını denklem 1 ve 2'ye göre ve problemin durumuna göre karşılaştıralım: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (denklem 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (denklem 2); v(Sn): v(H 2) = 0.2:0.2 = 1:1 (sorun koşulu). Bu nedenle, kalay hidroklorik asit ile denklem 1'e göre reaksiyona girer ve kalayın oksidasyon durumu +2'dir. |
| Cevap | Kalayın oksidasyon durumu +2'dir. |
ÖRNEK 2
| Egzersiz yapmak | 18.7 ml %14.6 hidroklorik asit (çözelti yoğunluğu 1.07 g/ml) başına 2.0 g çinkonun etkisiyle salınan gaz 4.0 g bakır (II) oksit üzerinde ısıtılarak geçirildi. Elde edilen katı karışımın kütlesi nedir? |
| Çözüm | çinko ne zaman etki eder hidroklorik asit hidrojen salınır: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), ısıtıldığında bakır (II) oksidi bakıra (2) indirger: CuO + H2 \u003d Cu + H20. İlk tepkimedeki madde miktarını bulunuz: m (p-ra Hcl) = 18.7. 1.07 = 20.0 gr; m(HCl) = 20.0. 0.146 = 2.92 gr; v (HCl) \u003d 2,92 / 36,5 \u003d 0,08 mol; v(Zn) = 2.0/65 = 0.031 mol. Çinko eksiktir, bu nedenle salınan hidrojen miktarı: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0.031 mol. İkinci reaksiyonda hidrojen eksiktir çünkü: v (CuO) \u003d 4.0 / 80 \u003d 0.05 mol. Reaksiyon sonucunda 0.031 mol CuO, 0.031 mol Cu'ya dönüşecek ve kütle kaybı: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0.031 × 80 - 0.031 × 64 \u003d 0.50 g. Hidrojeni geçtikten sonra CuO'nun Cu ile katı karışımının kütlesi şöyle olacaktır: 4.0-0.5 = 3.5 gr |
| Cevap | CuO'nun Cu ile katı karışımının kütlesi 3.5 g'dır. |
