Obținerea și aplicarea proprietăților fizico-chimice ale hidrogenului. Diferite forme de hidrogen

Atomul de hidrogen are formula electronică a nivelului electronic exterior (și singurul) nivel 1 s unu . Pe de o parte, prin prezența unui electron la nivelul electronic exterior, atomul de hidrogen este similar cu atomii. Metale alcaline. Cu toate acestea, la fel ca halogenii, îi lipsește doar un electron pentru a umple nivelul electronic extern, deoarece nu pot fi localizați mai mult de 2 electroni pe primul nivel electronic. Se dovedește că hidrogenul poate fi plasat simultan atât în ​​prima, cât și în penultima (a șaptea) grupă a tabelului periodic, ceea ce se face uneori în diverse opțiuni sistem periodic:

Din punctul de vedere al proprietăților hidrogenului ca substanță simplă, acesta are totuși mai multe în comun cu halogenii. Hidrogenul, precum și halogenii, este un nemetal și formează molecule diatomice (H 2) în mod similar cu acestea.

LA conditii normale Hidrogenul este o substanță gazoasă, inactivă. Activitatea scăzută a hidrogenului se explică prin rezistența ridicată a legăturii dintre atomii de hidrogen din moleculă, care necesită fie încălzire puternică, fie utilizarea catalizatorilor, fie ambele în același timp, pentru a o rupe.

Interacțiunea hidrogenului cu substanțe simple

cu metale

Dintre metale, hidrogenul reacționează numai cu alcaline și alcalino-pământoase! Metalele alcaline sunt metalele subgrupului principal I-a grupa(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) și pentru metale alcalino-pământoase din subgrupul principal al grupului II, cu excepția beriliului și magneziului (Ca, Sr, Ba, Ra)

Când interacționează cu metalele active, hidrogenul prezintă proprietăți oxidante, de exemplu. scade starea sa de oxidare. În acest caz, se formează hidruri de metale alcaline și alcalino-pământoase, care au o structură ionică. Reacția are loc atunci când este încălzită:

Trebuie remarcat faptul că interacțiunea cu metalele active este singurul caz în care hidrogenul molecular H2 este un agent oxidant.

cu nemetale

Dintre nemetale, hidrogenul reactioneaza doar cu carbonul, azotul, oxigenul, sulful, seleniul si halogenii!

Carbonul ar trebui înțeles ca grafit sau carbon amorf, deoarece diamantul este o modificare alotropică extrem de inertă a carbonului.

Când interacționează cu nemetale, hidrogenul poate îndeplini doar funcția de agent reducător, adică poate crește doar starea de oxidare:

Interacțiunea hidrogenului cu substanțe complexe

cu oxizi metalici

Hidrogenul nu reacționează cu oxizii metalici care sunt în seria de activitate a metalelor până la aluminiu (inclusiv), cu toate acestea, este capabil să reducă mulți oxizi metalici la dreapta aluminiului atunci când este încălzit:

cu oxizi nemetalici

Dintre oxizii nemetalici, hidrogenul reacționează atunci când este încălzit cu oxizi de azot, halogeni și carbon. Dintre toate interacțiunile hidrogenului cu oxizii nemetalici, reacția acestuia cu monoxid de carbon CO.

Amestecul de CO și H2 are chiar și propriul nume - „gaz de sinteză”, deoarece, în funcție de condiții, se pot obține astfel de produse industriale solicitate precum metanol, formaldehidă și chiar hidrocarburi sintetice:

cu acizi

Hidrogenul nu reacționează cu acizii anorganici!

Dintre acizii organici, hidrogenul reacționează numai cu acizii nesaturați, precum și cu acizii care conțin grupări funcționale capabile să fie reduse cu hidrogen, în special grupări aldehide, ceto sau nitro.

cu săruri

În cazul soluțiilor apoase de săruri, interacțiunea acestora cu hidrogenul nu are loc. Cu toate acestea, atunci când hidrogenul este trecut peste săruri solide ale unor metale cu activitate medie și scăzută, este posibilă reducerea parțială sau completă a acestora, de exemplu:

Proprietățile chimice ale halogenilor

Halogenii sunt elementele chimice din grupa VIIA (F, Cl, Br, I, At), precum și substanțele simple pe care le formează. În continuare, dacă nu se specifică altfel, halogenii vor fi înțeleși ca substanțe simple.

Toți halogenii au o structură moleculară, ceea ce duce la puncte de topire și fierbere scăzute ale acestor substanțe. Moleculele de halogen sunt diatomice, adică. formula lor poate fi scrisă în vedere generala ca Hal 2.

Trebuie remarcat faptul că acest special proprietate fizică iod, ca capacitatea sa de a sublimare sau, cu alte cuvinte, sublimare. sublimare, ei numesc fenomenul în care o substanță în stare solidă nu se topește la încălzire, ci, ocolind faza lichidă, trece imediat în stare gazoasă.

Structura electronică a exteriorului nivel de energie un atom al oricărui halogen are forma ns 2 np 5, unde n este numărul perioadei din tabelul periodic în care se află halogenul. După cum puteți vedea, doar un electron lipsește din învelișul exterior de opt electroni al atomilor de halogen. De aici este logic să presupunem proprietățile predominant oxidante ale halogenilor liberi, ceea ce este confirmat și în practică. După cum știți, electronegativitatea nemetalelor scade atunci când se deplasează în jos subgrup și, prin urmare, activitatea halogenilor scade în serie:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Interacțiunea halogenilor cu substanțe simple

Toți halogenii sunt foarte reactivi și reacționează cu majoritatea substanțelor simple. Totuși, trebuie menționat că fluorul, datorită reactivității sale extrem de ridicate, poate reacționa chiar și cu acele substanțe simple cu care alți halogeni nu pot reacționa. Astfel de substanțe simple includ oxigen, carbon (diamant), azot, platină, aur și unele gaze nobile (xenon și cripton). Acestea. de fapt, fluorul nu reacționează numai cu unele gaze nobile.

Halogenii rămași, de ex. clorul, bromul și iodul sunt și ele substanțe active, dar mai puțin active decât fluorul. Ele reacționează cu aproape toate substanțele simple, cu excepția oxigenului, azotului, carbonului sub formă de diamant, platină, aur și gaze nobile.

Interacțiunea halogenilor cu nemetale

hidrogen

Toți halogenii reacționează cu hidrogenul pentru a se forma halogenuri de hidrogen cu formula generală HHal. În același timp, reacția fluorului cu hidrogenul începe spontan chiar și în întuneric și continuă cu o explozie în conformitate cu ecuația:

Reacția clorului cu hidrogenul poate fi inițiată prin iradiere intensă cu ultraviolete sau încălzire. De asemenea, scurgeri cu o explozie:

Bromul și iodul reacționează cu hidrogenul numai atunci când sunt încălzite și, în același timp, reacția cu iodul este reversibilă:

fosfor

Interacțiunea fluorului cu fosforul duce la oxidarea fosforului la cel mai înalt grad oxidare (+5). În acest caz, are loc formarea de pentafluorură de fosfor:

Când clorul și bromul interacționează cu fosforul, este posibil să se obțină halogenuri de fosfor atât în ​​starea de oxidare + 3, cât și în starea de oxidare + 5, care depinde de proporțiile reactanților:

În cazul fosforului alb într-o atmosferă de fluor, clor sau brom lichid, reacția începe spontan.

Interacțiunea fosforului cu iodul poate duce la formarea numai de triiodură de fosfor datorită capacității de oxidare semnificativ mai scăzute decât alți halogeni:

gri

Fluorul oxidează sulful la cea mai mare stare de oxidare +6, formând hexafluorura de sulf:

Clorul și bromul reacționează cu sulful, formând compuși care conțin sulf în stări de oxidare extrem de neobișnuite pentru acesta +1 și +2. Aceste interacțiuni sunt foarte specifice, iar pentru a promova examenul de chimie nu este necesară abilitatea de a scrie ecuațiile acestor interacțiuni. Prin urmare, următoarele trei ecuații sunt date mai degrabă pentru ghidare:

Interacțiunea halogenilor cu metalele

După cum am menționat mai sus, fluorul este capabil să reacționeze cu toate metalele, chiar și cu cele inactive precum platina și aurul:

Halogenii rămași reacționează cu toate metalele, cu excepția platinei și aurului:

Reacții ale halogenilor cu substanțe complexe

Reacții de substituție cu halogeni

Halogeni mai activi, de ex. ale căror elemente chimice sunt situate mai sus în tabelul periodic, sunt capabile să înlocuiască halogenii mai puțin activi din acizii hidrohalici și halogenurile metalice pe care le formează:

În mod similar, bromul și iodul înlocuiesc sulful din soluțiile de sulfuri și sau hidrogen sulfurat:

Clorul este un agent oxidant mai puternic și oxidează hidrogenul sulfurat în soluția sa apoasă nu la sulf, ci la acid sulfuric:

Interacțiunea halogenilor cu apa

Apa arde în fluor cu o flacără albastră în conformitate cu ecuația reacției:

Bromul și clorul reacționează diferit cu apa decât fluorul. Dacă fluorul a acționat ca un agent de oxidare, atunci clorul și bromul sunt disproporționate în apă, formând un amestec de acizi. În acest caz, reacțiile sunt reversibile:

Interacțiunea iodului cu apa are loc într-un grad atât de nesemnificativ încât poate fi neglijat și considerat că reacția nu are loc deloc.

Interacțiunea halogenilor cu soluțiile alcaline

Fluorul, atunci când interacționează cu o soluție apoasă de alcali, acționează din nou ca un agent de oxidare:

Capacitate de scriere ecuația dată nu este obligat să promoveze examenul. Este suficient să cunoaștem faptul despre posibilitatea unei astfel de interacțiuni și rol oxidativ fluor în această reacție.

Spre deosebire de fluor, halogenii rămași sunt disproporționați în soluții alcaline, adică își măresc și scad simultan starea de oxidare. În același timp, în cazul clorului și bromului, în funcție de temperatură, este posibilă curgerea în două direcții diferite. În special, la frig, reacțiile decurg după cum urmează:

si cand este incalzit:

Iodul reacționează cu alcalii exclusiv conform celei de-a doua opțiuni, adică. cu formarea de iodat, deoarece hipoioditul este instabil nu numai când este încălzit, ci și la temperaturi obișnuite și chiar și la frig.

DEFINIȚIE

Hidrogen- primul element al tabelului periodic elemente chimice DI. Mendeleev. Simbolul este N.

Masa atomică - 1 a.m.u. Molecula de hidrogen este diatomică - H2.

Configurația electronică a atomului de hidrogen este 1s 1. Hidrogenul aparține familiei elementelor s. În compușii săi, prezintă stări de oxidare -1, 0, +1. Hidrogenul natural este format din doi izotopi stabili - protium 1 H (99,98%) și deuteriu 2 H (D) (0,015%) - și un izotop radioactiv de tritiu 3H (T) (urme, timp de înjumătățire - 12,5 ani) .

Proprietățile chimice ale hidrogenului

În condiții normale, hidrogenul molecular prezintă o reactivitate relativ scăzută, care se explică prin puterea ridicată a legăturii din moleculă. Când este încălzit, interacționează cu aproape toate substanțele simple formate din elementele principalelor subgrupe (cu excepția gazelor nobile, B, Si, P, Al). LA reacții chimice poate acţiona atât ca agent reducător (mai des) cât şi ca agent oxidant (mai rar).

Hidrogenul se manifestă proprietățile agentului reducător(H 2 0 -2e → 2H +) în următoarele reacții:

1. Reacții de interacțiune cu substanțe simple - nemetale. Hidrogenul reacţionează cu halogeni, mai mult, reacția de interacțiune cu fluorul în condiții normale, pe întuneric, cu o explozie, cu clor - sub iluminare (sau iradiere UV) printr-un mecanism în lanț, cu brom și iod numai la încălzire; oxigen(un amestec de oxigen și hidrogen într-un raport de volum de 2:1 se numește „gaz exploziv”), gri, azotși carbon:

H 2 + Hal 2 \u003d 2HHal;

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S \u003d H 2 S (t \u003d 150 - 300C);

3H2 + N2↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Reacții de interacțiune cu substanțe complexe. Hidrogenul reacţionează cu oxizi ai metalelor slab active, și este capabil să reducă numai metalele care se află în seria de activitate din dreapta zincului:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);

WO3 + 3H2 \u003d W + 3H2O (t).

Hidrogenul reacţionează cu oxizi nemetalici:

H2 + CO2 ↔ CO + H20 (t);

2H2 + CO ↔ CH3OH (t = 300C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr203).

Hidrogenul intră în reacții de hidrogenare cu compuși organici din clasa cicloalcanilor, alchenelor, arenelor, aldehidelor și cetonelor etc. Toate aceste reacții se desfășoară sub încălzire, sub presiune, platina sau nichelul este folosit ca catalizatori:

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.

Hidrogen ca agent oxidant(H 2 + 2e → 2H -) acţionează în reacţii cu metale alcaline şi alcalino-pământoase. În acest caz, se formează hidruri - compuși ionici cristalini în care hidrogenul prezintă o stare de oxidare de -1.

2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H2 ↔ CaH2 (t, p).

Proprietățile fizice ale hidrogenului

Hidrogenul este un gaz usor incolor, inodor, cu densitate la n.o. - 0,09 g/l, de 14,5 ori mai ușor decât aerul, t balot = -252,8C, t pl = -259,2C. Hidrogenul este slab solubil în apă și solvenți organici, este foarte solubil în unele metale: nichel, paladiu, platină.

Conform cosmochimiei moderne, hidrogenul este cel mai abundent element din univers. Principala formă de existență a hidrogenului în spațiul cosmic sunt atomi individuali. Hidrogenul este al 9-lea element cel mai abundent de pe Pământ. Cantitatea principală de hidrogen de pe Pământ se află într-o stare legată - în compoziția apei, uleiului, gaz natural, cărbune etc. Sub forma unei substanțe simple, hidrogenul se găsește rar - în compoziția gazelor vulcanice.

Obținerea de hidrogen

Există metode de laborator și industriale pentru producerea hidrogenului. Metodele de laborator includ interacțiunea metalelor cu acizi (1), precum și interacțiunea aluminiului cu soluții apoase de alcali (2). Printre metodele industriale de producere a hidrogenului, electroliza soluțiilor apoase de alcaline și săruri (3) și conversia metanului (4) joacă un rol important:

Zn + 2HCI = ZnCI2 + H2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na +3H2 (2);

2NaCI + 2H20 = H2 + CI2 + 2NaOH (3);

CH4 + H2O ↔ CO + H2 (4).

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2

DEFINIȚIE

Hidrogen este primul element din tabelul periodic. Denumire - H din latinescul „hydrogenium”. Situat în prima perioadă, grupa IA. Se referă la nemetale. Sarcina nucleară este 1.

Hidrogenul este unul dintre cele mai comune elemente chimice - cota sa este de aproximativ 1% din masa tuturor celor trei cochilii Scoarta terestra(atmosferă, hidrosferă și litosferă), care, la transformarea în procente atomice, dă cifra 17,0.

Cantitatea principală a acestui element este în stare legată. Astfel, apa conține aproximativ 11 gr. %, argilă - aproximativ 1,5% etc. Sub formă de compuși cu carbon, hidrogenul face parte din petrol, gaze naturale combustibile și toate organismele.

Hidrogenul este un gaz incolor și inodor (o diagramă a structurii atomului este prezentată în Fig. 1). Punctele sale de topire și de fierbere sunt foarte scăzute (-259 o C și, respectiv, -253 o C). La o temperatură (-240 o C) și sub presiune, hidrogenul este capabil să se lichefieze, iar odată cu evaporarea rapidă a lichidului rezultat, se transformă în stare solidă (cristale transparente). Este ușor solubil în apă - 2:100 în volum. Hidrogenul se caracterizează prin solubilitatea în unele metale, de exemplu, în fier.

Orez. 1. Structura atomului de hidrogen.

Greutatea atomică și moleculară a hidrogenului

DEFINIȚIE

Masa atomică relativă elementul este raportul dintre masa unui atom al unui element dat și 1/12 din masa unui atom de carbon.

Relativ masă atomică este adimensional și este notat cu A r (indicele „r” este litera inițială cuvânt englezesc relativă, care în traducere înseamnă „rudă”). Masa atomică relativă a hidrogenului atomic este de 1,008 amu.

Masele moleculelor, la fel ca și masele atomilor, sunt exprimate în unități de masă atomică.

DEFINIȚIE

greutate moleculară substanța se numește masa moleculei, exprimată în unități de masă atomică. Greutatea moleculară relativă substanțele numesc raportul dintre masa unei molecule a unei substanțe date și 1/12 din masa unui atom de carbon, a cărui masă este 12 a.m.u.

Se știe că molecula de hidrogen este diatomic - H 2 . Greutatea moleculară relativă a unei molecule de hidrogen va fi egală cu:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

Izotopi ai hidrogenului

Hidrogenul are trei izotopi: protiu 1 H, deuteriu 2 H sau D și tritiu 3 H sau T. Numerele lor de masă sunt 1, 2 și 3. Protiul și deuteriul sunt stabili, tritiul este radioactiv (timp de înjumătățire 12,5 ani). În compușii naturali, deuteriul și protiul sunt conținute în medie într-un raport de 1:6800 (în funcție de numărul de atomi). Tritiul se găsește în natură în cantități neglijabile.

Nucleul atomului de hidrogen 1 H conține un proton. Nucleele de deuteriu și tritiu includ, pe lângă proton, unul și doi neutroni.

Ioni de hidrogen

Un atom de hidrogen poate fie dona singurul său electron pentru a forma un ion pozitiv (care este un proton „gol”), fie poate adăuga un electron, transformându-se într-un ion negativ, care are o configurație electronică de heliu.

Desprinderea completă a unui electron de un atom de hidrogen necesită cheltuirea unei energii de ionizare foarte mari:

H + 315 kcal = H + + e.

Ca urmare, în interacțiunea hidrogenului cu metaloizi nu apar legături ionice, ci doar polare.

Tendința unui atom neutru de a atașa un electron în exces este caracterizată de valoarea afinității sale electronice. În hidrogen, este destul de slab exprimat (cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că un astfel de ion de hidrogen nu poate exista):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Moleculă și atom de hidrogen

Molecula de hidrogen este formată din doi atomi - H 2 . Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de hidrogen:

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Hidrogenul este un element special care ocupă două celule simultan sistem periodic Mendeleev. Este situat în două grupe de elemente cu proprietăți opuse, iar această caracteristică îl face unic. Hidrogenul este o substanță simplă și parte integrantă mulți compuși complecși, este un element organogen și biogen. Merită să vă familiarizați în detaliu cu principalele sale caracteristici și proprietăți.

Hidrogenul în sistemul periodic al lui Mendeleev

Principalele caracteristici ale hidrogenului sunt indicate în:

• numărul de serie al elementului este 1 (există același număr de protoni și electroni);
• masa atomică este 1,00795;
• hidrogenul are trei izotopi, fiecare având proprietăți speciale;
• datorită conținutului unui singur electron, hidrogenul este capabil să prezinte proprietăți reducătoare și oxidante, iar după donarea unui electron, hidrogenul are un orbital liber, care participă la formarea legăturilor chimice conform mecanismului donor-acceptor;
• hidrogenul este un element ușor cu o densitate scăzută;
• hidrogenul este un agent reducător puternic, deschide grupul de metal alcalin din primul grup al subgrupului principal;
• atunci când hidrogenul reacţionează cu metale şi alţi agenţi reducători puternici, acceptă electronii acestora şi devine un agent oxidant. Astfel de compuși se numesc hidruri. Conform caracteristicii indicate, hidrogenul aparține în mod condiționat grupului de halogeni (în tabel este prezentat mai sus fluorul între paranteze), cu care are asemănări.

Hidrogenul ca substanță simplă

Hidrogenul este un gaz a cărui moleculă este formată din două. Această substanță a fost descoperită în 1766 de omul de știință britanic Henry Cavendish. El a demonstrat că hidrogenul este un gaz care explodează atunci când interacționează cu oxigenul. După ce au studiat hidrogenul, chimiștii au descoperit că această substanță este cea mai ușoară dintre toate cunoscute omului.

Un alt om de știință, Lavoisier, a dat elementului numele de „hidrogeniu”, care în latină înseamnă „a naște apă”. În 1781, Henry Cavendish a demonstrat că apa este o combinație de oxigen și hidrogen. Cu alte cuvinte, apa este produsul reacției hidrogenului cu oxigenul. Proprietățile combustibile ale hidrogenului erau cunoscute chiar și de oamenii de știință antici: înregistrările corespunzătoare au fost lăsate de Paracelsus, care a trăit în secolul al XVI-lea.

Hidrogenul molecular este un compus gazos natural obișnuit în natură, care constă din doi atomi și când apare o așchie care arde. O moleculă de hidrogen se poate descompune în atomi care se transformă în nuclee de heliu, deoarece sunt capabili să participe la reactii nucleare. Astfel de procese au loc în mod regulat în spațiu și pe Soare.

Hidrogenul și proprietățile sale fizice

Hidrogenul are următorii parametri fizici:

• fierbe la -252,76 °C;
• se topește la -259,14 °C; *in limitele de temperatura indicate, hidrogenul este un lichid inodor, incolor;
• hidrogenul este ușor solubil în apă;
• hidrogenul se poate transforma teoretic în stare metalică în condiții speciale (temperaturi scăzute și presiune ridicată);
• hidrogenul pur este o substanță explozivă și combustibilă;
• hidrogenul este capabil să difuzeze prin grosimea metalelor, prin urmare se dizolvă bine în ele;
• hidrogenul este de 14,5 ori mai ușor decât aerul;
• la presiune ridicata se pot obţine cristale de hidrogen solid asemănătoare zăpezii.

Proprietățile chimice ale hidrogenului

Metode de laborator:

• interacțiunea acizilor diluați cu metale active și metale cu activitate medie;
• hidroliza hidrurilor metalice;
• reacția cu apa a metalelor alcaline și alcalino-pământoase.

Compuși cu hidrogen:

Halogenuri de hidrogen; compuși volatili de hidrogen ai nemetalelor; hidruri; hidroxizi; hidroxid de hidrogen (apă); apă oxigenată; compusi organici(proteine, grăsimi, carbohidrați, vitamine, lipide, Uleiuri esentiale, hormoni). Faceți clic pentru a vedea experimente sigure privind studiul proprietăților proteinelor, grăsimilor și carbohidraților.

Pentru a colecta hidrogenul rezultat, trebuie să țineți eprubeta întoarsă cu susul în jos. Hidrogenul nu poate fi recoltat dioxid de carbon deoarece este mult mai ușor decât aerul. Hidrogenul se evaporă rapid, iar atunci când este amestecat cu aer (sau într-o acumulare mare) explodează. Prin urmare, este necesară inversarea tubului. Imediat după umplere, tubul este închis cu un dop de cauciuc.

Pentru a verifica puritatea hidrogenului, trebuie să aduceți un chibrit aprins la gâtul eprubetei. Dacă apare un pop surd și liniștit, gazul este curat, iar impuritățile din aer sunt minime. Dacă zgomotul este puternic și fluieră, gazul din eprubetă este murdar, conține o mare parte de componente străine.

Atenţie! Nu încercați să repetați singuri aceste experimente!

Metodele industriale de obținere a substanțelor simple depind de forma în care se găsește elementul corespunzător în natură, adică care poate fi materia primă pentru producerea acestuia. Deci, oxigenul, care este disponibil în stare liberă, este obținut într-un mod fizic - prin izolarea de aerul lichid. Hidrogenul, pe de altă parte, este aproape totul sub formă de compuși, prin urmare, pentru a-l obține, 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 este mai usor sa izolezi 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.Electroliza soluțiilor apoase de săruri:

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 (p.t. -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 foarte temperaturi scăzute echilibrul dintre ortohidrogen și parahidrogen este aproape în întregime deplasat către acesta din urmă. La 80 K, raportul de aspect este de aproximativ 1:1. Parahidrogenul desorbit, atunci când este încălzit, se transformă în ortohidrogen până la formarea unui echilibru la temperatura camerei amestecuri (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 căldură 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 (ele înșiși oxidează). În continuare, se va da o altă definiție a conceptelor de „oxidare” și „reducere”. DAR această definiție, primul din punct de vedere istoric, își păstrează semnificația în prezent, mai ales în Chimie organica. 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- substante sarate, solide, usor hidrolizabile:

CaH2 + 2H20 → 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

Hidrogen - bazic material de construcții univers. 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 are 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.

Hidrogenul este produs continuu în atmosferă ca urmare a descompunerii apei. radiatie solara. Ea migrează în atmosfera superioară și evadează în spațiu.

Aplicație

• Energia hidrogenului

Hidrogenul atomic este folosit 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. Odată dirijabile și baloane umplut 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, de asemenea, folosit ca combustibil pentru racheta. 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. Căldura solară și lumina sunt rezultatul eliberării de energie nucleară în timpul fuziunii 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 de la arderea benzinei costă 12832,4 kJ / 42000 kJ / 0,7 kg / l * 80 cenți / l = 34 cenți la prețurile cu amănuntul, în timp ce pentru hidrogen am calculat varianta perfecta, excluzând transportul, amortizarea echipamentelor 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 extras. 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 deschis 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