Proprietățile chimice ale hidrogenului cu substanțe complexe. Hidrogen - ce este această substanță? Proprietățile chimice și fizice ale hidrogenului. Apă. Proprietăți chimice și fizice

Metode industriale de obținere substanțe simple depind de forma în care se află în natură elementul corespunzător, adică care poate fi materia primă pentru producerea lui. Deci, oxigenul, care este disponibil în stare liberă, se obține într-un mod fizic - prin izolarea de aerul lichid. Aproape tot hidrogenul este sub formă de compuși, așa că pentru obținerea acestuia se folosesc metode chimice. În special, pot fi utilizate reacții de descompunere. Una dintre modalitățile de producere a hidrogenului este reacția de descompunere a apei prin curent electric.

Principala metodă industrială de producere a hidrogenului este reacția cu apa a metanului, care face parte din gazul natural. Se efectuează la o temperatură ridicată (este ușor de verificat că atunci când metanul este trecut chiar și prin apă clocotită, nu are loc nicio reacție):

CH 4 + 2H 2 0 \u003d CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

In laborator, pentru obtinerea unor substante simple se folosesc nu neaparat materii prime naturale, ci se aleg acele substante initiale din care se izoleaza mai usor substanta necesara. De exemplu, în laborator, oxigenul nu se obține din aer. Același lucru este valabil și pentru producția de hidrogen. Una dintre metodele de laborator pentru producerea hidrogenului, care este uneori folosită în industrie, este descompunerea apei prin curent electric.

Hidrogenul este produs de obicei în laborator prin reacția zincului cu acid clorhidric.

În industrie

1.Electroliză solutii apoase saruri:

2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + CI2

2.Trecerea vaporilor de apă peste cocs fierbinte la aproximativ 1000°C:

H2O + C ⇄ H2 + CO

3.Din gaze naturale.

Conversia aburului: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Oxidarea catalitică a oxigenului: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Cracarea și reformarea hidrocarburilor în procesul de rafinare a petrolului.

In laborator

1.Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor. Pentru a efectua o astfel de reacție, zincul și acidul clorhidric sunt cel mai adesea utilizate:

Zn + 2HCI → ZnCl2 + H2

2.Interacțiunea calciului cu apa:

Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2

3.Hidroliza hidrurilor:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.Acțiunea alcalinelor asupra zincului sau aluminiului:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Cu ajutorul electrolizei.În timpul electrolizei soluțiilor apoase de alcalii sau acizi, hidrogenul este eliberat la catod, de exemplu:

2H3O + + 2e - → H2 + 2H2O

• Bioreactor pentru producerea hidrogenului

Proprietăți fizice

Hidrogenul gazos poate exista sub două forme (modificări) - sub formă de orto - și para-hidrogen.

În molecula de ortohidrogen (p.t. -259,10 °C, bp -252,56 °C), spinurile nucleare sunt direcționate în același mod (paralel), în timp ce în parahidrogen (pt -259,32 °C, t bp -252,89 °C) - opus unul față de celălalt (anti-paralel).

Formele alotrope ale hidrogenului pot fi separate prin adsorbție pe cărbune activ la temperatura azotului lichid. La temperaturi foarte scăzute, echilibrul dintre ortohidrogen și parahidrogen este aproape în întregime mutat către acesta din urmă. La 80 K, raportul de aspect este de aproximativ 1:1. Parahidrogenul desorbit este transformat în ortohidrogen la încălzire până la formarea unui amestec de echilibru la temperatura camerei (orto-para: 75:25). Fără catalizator, transformarea are loc lent, ceea ce face posibilă studierea proprietăților formelor alotrope individuale. Molecula de hidrogen este diatomică - H₂. În condiții normale, este un gaz incolor, inodor și fără gust. Hidrogenul este cel mai ușor gaz, densitatea lui este de multe ori mai mică decât cea a aerului. Evident, cu cât masa moleculelor este mai mică, cu atât viteza lor este mai mare la aceeași temperatură. Fiind cele mai ușoare, moleculele de hidrogen se mișcă mai repede decât moleculele oricărui alt gaz și astfel pot transfera căldura de la un corp la altul mai repede. Rezultă că hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică dintre substanțele gazoase. Conductivitatea sa termică este de aproximativ șapte ori mai mare decât cea a aerului.

Proprietăți chimice

Moleculele de hidrogen H₂ sunt destul de puternice și, pentru ca hidrogenul să reacționeze, trebuie cheltuită multă energie: H 2 \u003d 2H - 432 kJ. Prin urmare, la temperaturi obișnuite, hidrogenul reacționează numai cu metale foarte active, de exemplu, cu calciu, formând hidrură de calciu: Ca + H 2 \u003d CaH 2 și cu singurul nemetal - fluor, formând fluorură de hidrogen: F 2 + H 2 \u003d 2HF Cu majoritatea metalelor și nemetalelor, hidrogenul reacționează la temperaturi ridicate sau sub alte influențe, cum ar fi iluminatul. Poate „lua” oxigen din unii oxizi, de exemplu: CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 0 Ecuația scrisă reflectă reacția de reducere. Reacțiile de reducere se numesc procese, în urma cărora oxigenul este îndepărtat din compus; Substanțele care iau oxigen se numesc agenți reducători (ei înșiși oxidează). Mai departe, va fi dată o altă definiție a conceptelor de „oxidare” și „reducere”. DAR această definiție, primul din punct de vedere istoric, își păstrează importanța în prezent, mai ales în chimia organică. Reacția de reducere este opusă reacției de oxidare. Ambele reacții au loc întotdeauna simultan ca un proces: atunci când o substanță este oxidată (redusă), cealaltă este în mod necesar redusă (oxidată) în același timp.

N2 + 3H2 → 2NH3

Forme cu halogeni halogenuri de hidrogen:

F 2 + H 2 → 2 HF, reacția se desfășoară cu o explozie în întuneric și la orice temperatură, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reacția se desfășoară cu o explozie, numai în lumină.

Interacționează cu funinginea la încălzire puternică:

C + 2H2 → CH4

Interacțiune cu metale alcaline și alcalino-pământoase

Hidrogenul se formează cu metale active hidruri:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

hidruri- ser fiziologic, solide, usor de hidrolizat:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Interacțiunea cu oxizii metalici (de obicei elemente d)

Oxizii se reduc la metale:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenarea compușilor organici

Sub acțiunea hidrogenului asupra hidrocarburilor nesaturate în prezența unui catalizator de nichel și a temperaturii ridicate, reacția are loc hidrogenare:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Hidrogenul reduce aldehidele la alcooli:

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

Geochimia hidrogenului

Hidrogenul este principalul material de construcție al universului. Acesta este cel mai comun element și toate elementele sunt formate din acesta ca urmare a reacțiilor termonucleare și nucleare.

Hidrogenul liber H 2 este relativ rar în gazele terestre, dar sub formă de apă joacă un rol excepțional de important în procesele geochimice.

Hidrogenul poate fi prezent în minerale sub formă de ion de amoniu, ion hidroxil și apă cristalină.

În atmosferă, hidrogenul este produs continuu ca urmare a descompunerii apei prin radiația solară. Migrează în atmosfera superioară și evadează în spațiu.

Aplicație

• Energia hidrogenului

Hidrogenul atomic este utilizat pentru sudarea cu hidrogen atomic.

În industria alimentară, hidrogenul este înregistrat ca aditiv alimentar. E949 ca gaz de ambalare.

Caracteristicile circulației

Hidrogenul, atunci când este amestecat cu aer, formează un amestec exploziv - așa-numitul gaz detonant. Acest gaz este cel mai exploziv atunci când raportul de volum dintre hidrogen și oxigen este de 2:1, sau hidrogen și aer este de aproximativ 2:5, deoarece aerul conține aproximativ 21% oxigen. Hidrogenul este, de asemenea, inflamabil. Hidrogenul lichid poate provoca degerături severe dacă intră în contact cu pielea.

Concentrațiile explozive de hidrogen cu oxigen apar de la 4% la 96% în volum. Când este amestecat cu aer de la 4% la 75 (74)% din volum.

Utilizarea hidrogenului

În industria chimică, hidrogenul este utilizat în producția de amoniac, săpun și materiale plastice. În industria alimentară, margarina este făcută din uleiuri vegetale lichide folosind hidrogen. Hidrogenul este foarte ușor și se ridică mereu în aer. Pe vremuri, dirijabilele și baloanele erau pline cu hidrogen. Dar în anii 30. Secolului 20 au avut loc câteva accidente teribile când dirijabilele au explodat și au ars. În zilele noastre, dirijabilele sunt pline cu gaz heliu. Hidrogenul este folosit și ca combustibil pentru rachete. Într-o zi, hidrogenul poate fi folosit pe scară largă ca combustibil pentru mașini și camioane. Motoarele cu hidrogen nu poluează mediu inconjuratorși emit doar vapori de apă (cu toate acestea, însăși producția de hidrogen duce la o anumită poluare a mediului). Soarele nostru este alcătuit în mare parte din hidrogen. caldura solara iar lumina este rezultatul selecției energie nucleară prin fuziunea nucleelor ​​de hidrogen.

Utilizarea hidrogenului ca combustibil (eficiență economică)

Cea mai importantă caracteristică a substanțelor folosite drept combustibil este căldura lor de ardere. Din cursul chimiei generale, se știe că reacția interacțiunii hidrogenului cu oxigenul are loc cu degajarea de căldură. Dacă luăm 1 mol H 2 (2 g) și 0,5 mol O 2 (16 g) în condiții standard și excităm reacția, atunci conform ecuației

H2 + 0,5 O2 \u003d H2O

după terminarea reacției, se formează 1 mol de H 2 O (18 g) cu o eliberare de energie de 285,8 kJ / mol (pentru comparație: căldura de ardere a acetilenei este de 1300 kJ / mol, propan - 2200 kJ / mol) . 1 m³ de hidrogen cântărește 89,8 g (44,9 mol). Prin urmare, pentru a obține 1 m³ de hidrogen, se vor cheltui 12832,4 kJ de energie. Ținând cont de faptul că 1 kWh = 3600 kJ, obținem 3,56 kWh de energie electrică. Cunoscând tariful pentru 1 kWh de energie electrică și costul pentru 1 m³ de gaz, putem concluziona că este indicat să treceți la combustibil cu hidrogen.

De exemplu, un model Honda FCX experimental de generația a 3-a cu un rezervor de hidrogen de 156 litri (conținând 3,12 kg de hidrogen la o presiune de 25 MPa) parcurge 355 km. În consecință, din 3,12 kg H2 se obțin 123,8 kWh. La 100 km, consumul de energie va fi de 36,97 kWh. Cunoscând costul energiei electrice, costul gazului sau al benzinei, consumul acestora pentru o mașină la 100 km, este ușor de calculat efectul economic negativ al trecerii mașinilor la combustibil cu hidrogen. Să spunem (Rusia 2008), 10 cenți per kWh de energie electrică duce la faptul că 1 m³ de hidrogen duce la un preț de 35,6 cenți și ținând cont de eficiența descompunerii apei de 40-45 de cenți, aceeași cantitate de kWh din arderea benzinei costă 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 cenţi/l=34 cenţi la preţurile de vânzare cu amănuntul, în timp ce pentru hidrogen am calculat varianta ideală, fără a ţine cont de transport, deprecierea utilajelor etc. Pentru metanul cu o energie de ardere de aproximativ 39 MJ pe m³, rezultatul va fi de două până la patru ori mai mic datorită diferenței de preț (1m³ pentru Ucraina costă 179 USD, iar pentru Europa 350 USD). Adică, cantitatea echivalentă de metan va costa 10-20 de cenți.

Totuși, nu trebuie să uităm că atunci când ardem hidrogen, obținem apă curată, din care a fost extrasă. Adică avem o energie regenerabilă depozitar energie fără a dăuna mediului, spre deosebire de gaz sau benzină, care sunt surse primare de energie.

Php pe linia 377 Avertisment: require(http://www..php): nu s-a putut deschide fluxul: nu a putut fi găsit niciun wrapper potrivit în /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php pe linia 377 Fatal eroare: require(): Este necesară deschiderea eșuată „http://www..php” (include_path="..php pe linia 377

Cursul 29

Hidrogen. Apă

Planul cursului:

Apă. Chimice și proprietăți 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. Simbolul său chimic în tabelul periodic este înregistrat de două ori: în ambele grupe IA și 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, din compușii cu metale alcaline și alcalino-pământoase are o stare de oxidare de -1, ceea ce confirmă proprietățile sale de oxidare.
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 dintr-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 egale cu - 100 o C și 0 o C, iar deuteriu (D 2 O) - 101,4 o C și 3,8 o C. Viteza de reacție 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 Scoarta terestra- litosferă - conținutul de masă al hidrogenului este de numai 0,88%, adică ocupă locul 9 între toate elementele. carcasă de aer Pământ - atmosfera conține mai puțin de o milioneme din volumul total atribuit hidrogenului molecular. Se gaseste doar in straturile superioare atmosfera.

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.

ÎN 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

ÎN industrie hidrogenul este produs în următoarele moduri:

1. Electroliza soluțiilor apoase de săruri, acizi și alcalii. Soluția cea mai des folosită sare de masă:

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 elibera hidrogenul din apă gazoasă, monoxidul de carbon este transformat în dioxid de carbon atunci 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.

Proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului

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 formează compuși volatili de hidrogen cu nemetale (vezi prelegerea 25).

Cu halogeni viteza de reacție și condițiile de curgere se schimbă de la fluor la iod: hidrogenul reacționează cu fluorul 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 → t H2S

Cu azot, fosfor și carbon reacția are loc sub încălzire, presiune ridicată și 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”.

Să aruncăm o privire la ce este hidrogenul. Proprietăți chimice iar producția acestui nemetal este studiată în cursul de chimie anorganică la școală. Acesta este elementul care conduce sistemul periodic al lui Mendeleev și, prin urmare, merită o descriere detaliată.

Informații scurte despre deschiderea unui element

Înainte de a lua în considerare proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului, să aflăm cum a fost găsit acest element important.

Chimiștii care au lucrat în secolele al XVI-lea și al XVII-lea au menționat în repetate rânduri în scrierile lor gazul combustibil care se eliberează atunci când acizii sunt expuși la metale active. În a doua jumătate a secolului al XVIII-lea, G. Cavendish a reușit să colecteze și să analizeze acest gaz, dându-i denumirea de „gaz combustibil”.

Proprietățile fizice și chimice ale hidrogenului nu au fost studiate la acea vreme. Abia la sfârşitul secolului al XVIII-lea, A. Lavoisier a reuşit să stabilească prin analiză că acest gaz poate fi obţinut prin analiza apei. Puțin mai târziu, a început să numească noul element hidrogen, care înseamnă „a naște apă”. Hidrogenul își datorează numele modern rusesc lui M.F. Solovyov.

Fiind în natură

Proprietățile chimice ale hidrogenului pot fi analizate doar pe baza abundenței sale în natură. Acest element este prezent în hidro- și litosferă și face parte și din minerale: gaze naturale și asociate, turbă, petrol, cărbune, șisturi bituminoase. Este greu de imaginat un adult care nu ar ști că hidrogenul este parte integrantă apă.

În plus, acest nemetal se găsește în organismele animale sub formă acizi nucleici, proteine, carbohidrați, grăsimi. Pe planeta noastră, acest element se găsește în formă liberă destul de rar, poate doar în gazele naturale și vulcanice.

Sub formă de plasmă, hidrogenul reprezintă aproximativ jumătate din masa stelelor și a Soarelui și face, de asemenea, parte din gazul interstelar. De exemplu, sub formă liberă, precum și sub formă de metan, amoniac, acest nemetal este prezent în comete și chiar în unele planete.

Proprietăți fizice

Înainte de a lua în considerare proprietățile chimice ale hidrogenului, observăm că în condiții normale este o substanță gazoasă mai ușoară decât aerul, având mai multe forme izotopice. Este aproape insolubil în apă și are o conductivitate termică ridicată. Protium, care are un număr de masă de 1, este considerată forma sa cea mai ușoară. Tritiul, care are proprietăți radioactive, se formează în natură din azotul atmosferic atunci când neuronii îl expun la razele UV.

Caracteristicile structurii moleculei

Pentru a lua în considerare proprietățile chimice ale hidrogenului, reacțiile caracteristice acestuia, să ne oprim asupra caracteristicilor structurii sale. Această moleculă diatomică are o legătură chimică covalentă nepolară. Formarea hidrogenului atomic este posibilă atunci când metalele active interacționează cu soluțiile acide. Dar în această formă, acest nemetal este capabil să existe doar pentru o perioadă de timp nesemnificativă, aproape imediat se recombină într-o formă moleculară.

Proprietăți chimice

Luați în considerare proprietățile chimice ale hidrogenului. În majoritatea compușilor pe care îi formează acest element chimic, acesta prezintă o stare de oxidare de +1, ceea ce îl face similar cu metalele active (alcaline). Principalele proprietăți chimice ale hidrogenului, care îl caracterizează ca metal:

• interacțiunea cu oxigenul pentru a forma apă;
• reacție cu halogeni, însoțită de formarea de halogenuri de hidrogen;
• producerea de hidrogen sulfurat atunci când este combinată cu sulf.

Mai jos este ecuația reacției care caracterizează proprietățile chimice ale hidrogenului. Atragem atenția asupra faptului că, în calitate de nemetal (cu o stare de oxidare de -1), acționează numai în reacția cu metalele active, formând cu acestea hidrurile corespunzătoare.

Hidrogenul la temperatura obișnuită nu interacționează activ cu alte substanțe, astfel încât majoritatea reacțiilor sunt efectuate numai după preîncălzire.

Să ne oprim mai în detaliu asupra unor interacțiuni chimice ale elementului care conduce tabelul periodic elemente chimice Mendeleev.

Reacția de formare a apei este însoțită de eliberarea a 285,937 kJ de energie. La temperaturi ridicate (mai mult de 550 de grade Celsius), acest proces este însoțit de o explozie puternică.

Printre acele proprietăți chimice ale hidrogenului gazos care și-au găsit aplicații semnificative în industrie, este de interes interacțiunea acestuia cu oxizii metalici. Prin hidrogenarea catalitică în industria modernă sunt procesați oxizii metalici, de exemplu, metalul pur este izolat din sol de fier (oxid de fier mixt). Această metodă permite prelucrarea eficientă a fierului vechi.

Sinteza amoniacului, care implică interacțiunea hidrogenului cu azotul atmosferic, este, de asemenea, solicitată în industria chimică modernă. Printre condițiile pentru apariția acestei interacțiuni chimice, notăm presiunea și temperatura.

Concluzie

Este hidrogenul care este o substanță chimică inactivă în condiții normale. Pe măsură ce temperatura crește, activitatea sa crește semnificativ. Această substanță este solicitată în sinteza organică. De exemplu, prin hidrogenare, cetonele pot fi reduse la alcooli secundari, iar aldehidele pot fi transformate în alcooli primari. În plus, prin hidrogenare, hidrocarburile nesaturate din clasele etilenă și acetilenă pot fi transformate în compuși saturați din seria metanului. Hidrogenul este considerat pe bună dreptate o substanță simplă solicitată în producția chimică modernă.

COLEGIUL DE TEHNOLOGIE ȘI PROIECTAREA INDUSTRIEI UȘOARE MINSK

abstract

disciplina: Chimie

Subiect: „Hidrogen și compușii săi”

Pregătite de: Student anul I343 grupe

Viskup Elena

Verificat: Alyabyeva N.V.

Minsk 2009

Structura atomului de hidrogen în sistemul periodic

Stări de oxidare

Prevalența în natură

Hidrogenul ca substanță simplă

Compuși cu hidrogen

Bibliografie

Structura atomului de hidrogen în sistemul periodic

Primul element al sistemului periodic (prima perioadă, numărul de serie 1). Nu are o analogie completă cu alte elemente chimice și nu aparține niciunui grup, prin urmare, în tabele este plasat condiționat în grupul IA și/sau grupul 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, H2O 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 medie a electronegativității între metalele tipice și nemetale. Capabil să reducă catalitic în solvenți organici, cum ar fi acidul acetic sau alcoolul, mulți compuși organici: compuși nesaturați la saturati, unii compuși de sodiu la amoniac sau amine.

Prevalența în natură

Hidrogenul natural este format din doi izotopi stabili - protium 1 H, deuteriu 2 H și tritiu 3 H. În alt mod, deuteriul este notat cu D, iar tritiul cu T. Sunt posibile diferite combinații, de exemplu, HT, 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%). Se găsește în Soare și în majoritatea stelelor, precum și pe planetele Jupiter și Saturn, care sunt în mare parte hidrogen. Pe unele planete, hidrogenul poate exista sub formă solidă.

Hidrogenul ca substanță simplă

Molecula de hidrogen este formată din doi atomi legați printr-o legătură covalentă nepolară. Proprietăți fizice- gaz incolor si inodor. Mai rapid decât alte gaze, se răspândește în spațiu, trece prin pori mici, iar la temperaturi ridicate pătrunde relativ ușor în oțel și alte materiale. Are conductivitate termică ridicată.

Proprietăți chimice. In stare normala la temperaturi scazute este inactiv, fara incalzire reactioneaza cu fluor si clor (in prezenta luminii).

H2 + F22HF H2 + CI2hv 2HCI

Interacționează mai activ cu nemetale decât cu metalele.

Când interacționați cu diverse substante poate prezenta atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare.

Compuși cu hidrogen

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

CI2 + H2OHCIO + HCI; HClO-apa clorata

Deoarece HBr și HI sunt agenți reducători tipici, aceștia nu pot fi obținuți prin reacția de schimb ca HCl.

CaF 2 + H 2 SO 4 \u003d CaSO 4 + 2HF

Apa este cel mai comun compus hidrogen din natură.

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

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

2H 2 O + 2Na \u003d 2NaOH + H 2

H2O + BaO \u003d Ba (OH) 2

3H 2 O + P 2 O 5 \u003d 2H 3 PO 4

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. Este folosit ca lichid de răcire și moderator de neutroni în reactoarele nucleare.

Hidruri - interacțiunea hidrogenului cu metale (la temperatură ridicată) sau nemetale mai puțin electronegative decât hidrogenul.

Si + 2H 2 \u003d SiH 4

Hidrogenul însuși a fost descoperit în prima jumătate a secolului al XVI-lea. Paracelsus. În 1776 G. Cavendish i-a investigat pentru prima dată proprietățile, 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 școlarilor / 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 anorganic chemistry / Moscova „Mir” 1969

• Denumire - H (Hidrogen);
• Denumire latină - Hidrogeniu;
• Perioada - I;
• Grupa - 1 (Ia);
• Masa atomică - 1,00794;
• Numărul atomic - 1;
• Raza unui atom = 53 pm;
• Raza covalentă = 32 pm;
• Distribuția electronilor - 1s 1;
• punct de topire = -259,14°C;
• punctul de fierbere = -252,87°C;
• Electronegativitate (după Pauling / după Alpred și Rochov) \u003d 2,02 / -;
• Stare de oxidare: +1; 0; -unu;
• Densitate (n.a.) \u003d 0,0000899 g / cm 3;
• Volumul molar = 14,1 cm 3 / mol.

Compuși binari ai hidrogenului cu oxigenul:

Hidrogenul („dând naștere apei”) a fost descoperit de omul de știință englez G. Cavendish în 1766. Acesta este cel mai simplu element din natură - un atom de hidrogen are un nucleu și un electron, probabil din acest motiv hidrogenul este cel mai comun element din univers (mai mult de jumătate din masa majorității stelelor).

Despre hidrogen, putem spune că „bobina este mică, dar scumpă”. În ciuda „simplităţii sale”, hidrogenul dă energie tuturor fiinţelor vii de pe Pământ - pe Soare are loc o reacţie termonucleară continuă, în timpul căreia se formează un atom de heliu din patru atomi de hidrogen, acest proces este însoţit de eliberarea unei cantităţi enorme de energie (pentru mai multe detalii, vezi Fuziunea nucleară).

În scoarța terestră, fracția de masă a hidrogenului este de numai 0,15%. Între timp, marea majoritate (95%) din toate cele cunoscute pe Pământ substanțe chimice conţin unul sau mai mulţi atomi de hidrogen.

În compușii cu nemetale (HCl, H 2 O, CH 4 ...), hidrogenul cedează singurul său electron unor elemente mai electronegative, prezentând o stare de oxidare de +1 (mai des), formând doar legături covalente (vezi Covalent). legătură).

În compușii cu metale (NaH, CaH 2 ...), hidrogenul, dimpotrivă, preia unicul său orbital s încă un electron, încercând astfel să-și completeze stratul de electroni, prezentând o stare de oxidare de -1 (mai rar) , formând mai des o legătură ionică (vezi. Legătură ionică), deoarece diferența de electronegativitate a unui atom de hidrogen și a unui atom de metal poate fi destul de mare.

H2

În stare gazoasă, hidrogenul este sub formă de molecule biatomice, formând o legătură covalentă nepolară.

Moleculele de hidrogen au:

• mobilitate mare;
• putere mare;
• polarizabilitate scăzută;
• dimensiuni și greutate mici.

Proprietățile hidrogenului gazos:

• cel mai ușor gaz din natură, incolor și inodor;
• slab solubil în apă și solvenți organici;
• se dizolvă în cantități mici în metale lichide și solide (în special în platină și paladiu);
• dificil de lichefiat (din cauza polarizabilității sale scăzute);
• are cea mai mare conductivitate termică dintre toate gazele cunoscute;
• când este încălzit, reacţionează cu multe nemetale, arătând proprietăţile unui agent reducător;
• la temperatura camerei reacţionează cu fluor (se produce o explozie): H 2 + F 2 = 2HF;
• reacţionează cu metalele pentru a forma hidruri, prezentând proprietăţi oxidante: H 2 + Ca = CaH 2;

În compuși, hidrogenul își prezintă proprietățile sale reducătoare mult mai puternic decât cele oxidante. Hidrogenul este cel mai puternic agent reducător după cărbune, aluminiu și calciu. Proprietățile reducătoare ale hidrogenului sunt utilizate pe scară largă în industrie pentru a obține metale și nemetale (substanțe simple) din oxizi și galide.

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O

Reacții ale hidrogenului cu substanțe simple

Hidrogenul acceptă un electron, jucând rolul agent de reducere, în reacții:

• din oxigen(când este aprins sau în prezența unui catalizator), într-un raport de 2:1 (hidrogen:oxigen) se formează un gaz detonant exploziv: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 +1 O + 572 kJ
• din gri(când este încălzit la 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• din clor(atunci când este aprins sau iradiat cu raze UV): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H +1 Cl
• din fluor: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
• din azot(atunci când este încălzit în prezența catalizatorilor sau când presiune ridicata): 3H20 +N2 ↔ 2NH3 +1

Hidrogenul donează un electron, jucând rolul agent oxidant, în reacții cu alcalinȘi alcalino-pământos metalele pentru a forma hidruri metalice - compuși ionici asemănătoare sărurilor care conțin ioni de hidrură H - sunt substanțe cristaline instabile de culoare albă.

Ca + H 2 \u003d CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \u003d 2NaH -1

Este neobișnuit ca hidrogenul să prezinte o stare de oxidare de -1. Reacționând cu apa, hidrurile se descompun, reducând apa la hidrogen. Reacția hidrurii de calciu cu apa este următoarea:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2

Reacții ale hidrogenului cu substanțe complexe

• la temperatură ridicată, hidrogenul reduce mulți oxizi de metal: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
• alcoolul metilic se obține în urma reacției hidrogenului cu monoxidul de carbon (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• în reacţiile de hidrogenare, hidrogenul reacţionează cu multe substanţe organice.

Ecuații mai detaliate reacții chimice hidrogenul și compușii săi sunt discutați la pagina „Hidrogenul și compușii săi – ecuații ale reacțiilor chimice care implică hidrogenul”.

Aplicarea hidrogenului

• în energie nucleara se folosesc izotopi de hidrogen - deuteriu și tritiu;
• în industria chimică, hidrogenul este folosit pentru sinteza multora materie organică, amoniac, acid clorhidric;
• în industria alimentară, hidrogenul este utilizat la producerea grăsimilor solide prin hidrogenarea uleiurilor vegetale;
• pentru sudarea și tăierea metalelor, se utilizează o temperatură ridicată de ardere a hidrogenului în oxigen (2600 ° C);
• în producerea unor metale, hidrogenul este utilizat ca agent reducător (vezi mai sus);
• întrucât hidrogenul este un gaz ușor, este folosit în aeronautică ca umplutură pentru baloane, baloane, dirijabile;
• Ca combustibil, hidrogenul este folosit în amestec cu CO.

ÎN În ultima vreme oamenii de știință acordă multă atenție căutării surselor alternative de energie regenerabilă. Una dintre zonele promițătoare este energia „hidrogenului”, în care hidrogenul este folosit drept combustibil, al cărui produs de ardere este apa obișnuită.

Metode de producere a hidrogenului

Metode industriale de producere a hidrogenului:

• conversia metanului (reducerea catalitică a vaporilor de apă) cu vapori de apă la temperatură ridicată (800°C) pe un catalizator de nichel: CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2;
• conversia monoxidului de carbon cu abur (t=500°C) pe un catalizator Fe2O3: CO + H2O = CO2 + H2;
• descompunerea termică a metanului: CH 4 \u003d C + 2H 2;
• gazeificarea combustibililor solizi (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• electroliza apei (o metodă foarte costisitoare prin care se obține hidrogen foarte pur): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:

• acțiune asupra metalelor (de obicei zinc) cu acid clorhidric sau sulfuric diluat: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H 2; Zn + H2SO4 \u003d ZnSO4 + H2;
• interacțiunea vaporilor de apă cu așchii fierbinți de fier: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.