مرجع التاريخ
الهيدروجين هو العنصر الأول في PSCE D.I. مندليف.
يشير الاسم الروسي للهيدروجين إلى أنه "يلد الماء" ؛ اللاتينية " الهيدروجين " يعني نفسه.
لأول مرة ، لاحظ روبرت بويل ومعاصروه إطلاق الغاز القابل للاحتراق أثناء تفاعل معادن معينة مع الأحماض في النصف الأول من القرن السادس عشر.
ولكن تم اكتشاف الهيدروجين فقط في عام 1766 من قبل الكيميائي الإنجليزي هنري كافنديش ، الذي وجد أنه عندما تتفاعل المعادن مع الأحماض المخففة ، يتم إطلاق "هواء قابل للاشتعال" معين. من خلال مراقبة احتراق الهيدروجين في الهواء ، وجد كافنديش أن النتيجة هي الماء. كان هذا في عام 1782.
في عام 1783 ، عزل الكيميائي الفرنسي أنطوان لوران لافوازييه الهيدروجين عن طريق تحلل الماء بالحديد الساخن. في عام 1789 ، تم عزل الهيدروجين من تحلل الماء تحت تأثير تيار كهربائي.
الانتشار في الطبيعة
الهيدروجين هو العنصر الأساسي في الفضاء. على سبيل المثال ، تتكون الشمس من 70٪ من كتلتها الهيدروجينية. يوجد عدة عشرات الآلاف من ذرات الهيدروجين في الكون أكثر من كل ذرات جميع المعادن مجتمعة.يوجد في الغلاف الجوي للأرض أيضًا بعض الهيدروجين على شكل مادة بسيطة - غاز مكون من H 2. الهيدروجين أخف بكثير من الهواء ولذلك يوجد في الغلاف الجوي العلوي.
لكن هناك الكثير من الهيدروجين المرتبط على الأرض: فهو في النهاية جزء من الماء ، المادة المعقدة الأكثر شيوعًا على كوكبنا. يحتوي الهيدروجين المرتبط بالجزيئات على كل من النفط والغاز الطبيعي والعديد من المعادن والصخور. الهيدروجين مكون من جميع المواد العضوية.
خصائص عنصر الهيدروجين.
للهيدروجين طبيعة مزدوجة ، ولهذا السبب ، في بعض الحالات ، يتم وضع الهيدروجين في المجموعة الفرعية للمعدن القلوي ، وفي حالات أخرى ، في مجموعة الهالوجين الفرعية.
التكوين الإلكترونية 1 ثانية 1 . تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون وإلكترون واحد.
يمكن لذرة الهيدروجين أن تفقد إلكترونًا وتتحول إلى كاتيون H + ، وهي في هذا تشبه الفلزات القلوية.
يمكن لذرة الهيدروجين أيضًا أن تعلق إلكترونًا ، وبالتالي تشكل أنيون H - في هذا الصدد ، يشبه الهيدروجين الهالوجينات.
دائما أحادي التكافؤ في المركبات
CO: +1 و -1.
الخصائص الفيزيائية للهيدروجين
الهيدروجين غاز ، عديم اللون ، عديم الطعم والرائحة. 14.5 مرة أخف من الهواء. قليل الذوبان في الماء. لديها موصلية حرارية عالية. عند t = -253 ° C تتسيل ، عند t = -259 ° C تتجمد. جزيئات الهيدروجين صغيرة جدًا لدرجة أنها يمكن أن تنتشر ببطء عبر العديد من المواد - المطاط والزجاج والمعادن ، والتي تستخدم في تنقية الهيدروجين من الغازات الأخرى.ثلاثة نظائر للهيدروجين معروفة: - البروتيوم ، - الديوتيريوم ، - التريتيوم. الجزء الرئيسي من الهيدروجين الطبيعي هو البروتيوم. الديوتيريوم هو جزء من الماء الثقيل الذي يثري المياه السطحية للمحيطات. التريتيوم هو نظير مشع.
الخصائص الكيميائية للهيدروجين
الهيدروجين مادة غير معدنية ولها بنية جزيئية. يتكون جزيء الهيدروجين من ذرتين متصلتين برابطة تساهمية غير قطبية. تبلغ طاقة الارتباط في جزيء الهيدروجين 436 كيلو جول / مول ، وهو ما يفسر النشاط الكيميائي المنخفض للهيدروجين الجزيئي.
التفاعل مع الهالوجينات. في درجة الحرارة العادية ، يتفاعل الهيدروجين فقط مع الفلور:
مع الكلور - فقط في الضوء ، مكونًا كلوريد الهيدروجين ، مع البروم يستمر التفاعل بقوة أقل ، مع اليود لا يصل إلى النهاية حتى في درجات الحرارة العالية.
التفاعل مع الأكسجين عند التسخين ، عند الاشتعال ، يستمر التفاعل بانفجار: 2H 2 + O 2 \ u003d 2H 2 O.
مزيج من جزء واحد من الأكسجين وجزئين من الهيدروجين هو "خليط متفجر" ، وهو الأكثر انفجارًا.
التفاعل مع الكبريت - عند التسخين H 2 + S = H 2 S.
التفاعل مع النيتروجين. عند التسخين تحت ضغط مرتفع وبوجود عامل مساعد:
التفاعل مع أكسيد النيتريك (II). يستخدم في أنظمة التنقية في إنتاج حامض النيتريك: 2NO + 2H 2 = N 2 + 2H 2 O.
التفاعل مع أكاسيد المعادن. الهيدروجين عامل اختزال جيد ، فهو يستعيد العديد من المعادن من أكاسيدها: CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
الهيدروجين الذري هو عامل اختزال قوي. يتكون من جزيئي في تفريغ كهربائي تحت ظروف الضغط المنخفض. لها نشاط تصالحي عالي الهيدروجين وقت إطلاقهتتشكل عندما يتم اختزال المعدن بحمض.
التفاعل مع المعادن النشطة . عند درجة حرارة عالية ، تتحد مع المعادن الأرضية القلوية والقلوية وتشكل مواد بلورية بيضاء - هيدرات معدنية ، تظهر خصائص عامل مؤكسد: 2Na + H 2 = 2NaH ؛
الحصول على الهيدروجين
في المختبر:
تفاعل المعدن مع المحاليل المخففة من أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك ،
تفاعل الألمنيوم أو السيليكون مع المحاليل المائية للقلويات:
Si + 2NaOH + H 2 O \ u003d Na 2 SiO 3 + 2H 2.
في الصناعة:
التحليل الكهربائي للمحاليل المائية لكلوريد الصوديوم والبوتاسيوم أو التحليل الكهربائي للماء في وجود الهيدروكسيدات:
2H 2 O \ u003d 2H 2 + O 2.
طريقة التحويل. أولاً ، يتم الحصول على غاز الماء عن طريق تمرير بخار الماء عبر فحم الكوك الساخن عند 1000 درجة مئوية:
ثم يتأكسد أول أكسيد الكربون (II) إلى أول أكسيد الكربون (IV) عن طريق تمرير خليط من غاز الماء مع بخار الماء الزائد فوق محفز Fe 2 O 3 يتم تسخينه إلى 400-450 درجة مئوية:
CO + H 2 O \ u003d CO 2 + H 2.
يتم امتصاص أول أكسيد الكربون الناتج (IV) بواسطة الماء ، وبهذه الطريقة يتم الحصول على 50٪ من الهيدروجين الصناعي.
تحويل الميثان: CH 4 + H 2 O \ u003d CO + 3H 2.
التحلل الحراري للميثان عند 1200 درجة مئوية: CH 4 = C + 2H 2.
تبريد عميق (حتى -196 درجة مئوية) لغاز فرن الكوك. عند هذه الدرجة ، تتكثف جميع المواد الغازية ، باستثناء الهيدروجين.
يعتمد استخدام الهيدروجين على خواصه الفيزيائية والكيميائية:
كغاز خفيف ، يتم استخدامه لملء البالونات (ممزوجة بالهيليوم) ؛
يستخدم لهب الأكسجين والهيدروجين للحصول على درجات حرارة عالية عند لحام المعادن ؛
كعامل اختزال يستخدم للحصول على المعادن (الموليبدينوم ، التنجستن ، إلخ) من أكاسيدها ؛
لإنتاج الأمونيا والوقود السائل الصناعي ، لهدرجة الدهون.
§3. معادلة التفاعل وكيفية كتابتها
تفاعل هيدروجينمع الأكسجينكما أكد السير هنري كافنديش ، يؤدي إلى تكوين الماء. دعنا نستخدم هذا المثال البسيط لتعلم كيفية الكتابة معادلات التفاعلات الكيميائية.
ما يأتي من هيدروجينو الأكسجين، ونحن نعلم بالفعل:
H 2 + O 2 → H 2 O
الآن نأخذ في الاعتبار أن ذرات العناصر الكيميائية في التفاعلات الكيميائية لا تختفي ولا تظهر من لا شيء ، ولا تتحول إلى بعضها البعض ، بل تتحد في مجموعات جديدةلتشكيل جزيئات جديدة. هذا يعني أنه في معادلة التفاعل الكيميائي للذرات من كل نوع يجب أن يكون هناك نفس العدد قبلتفاعلات ( اليسارمن علامة التساوي) و بعدنهاية رد الفعل ( على اليمينمن علامة التساوي) ، مثل هذا:
2H 2 + O 2 \ u003d 2H 2 O
هذا ما هو عليه معادلة التفاعل - سجل شرطي لتفاعل كيميائي مستمر باستخدام صيغ المواد والمعاملات.
هذا يعني أنه في رد الفعل أعلاه اثنين من الخلد هيدروجينيجب أن تتفاعل مع بواسطة مول واحد الأكسجينوستكون النتيجة اثنين من الخلد ماء.
تفاعل هيدروجينمع الأكسجين- ليست عملية بسيطة على الإطلاق. يؤدي إلى تغيير في حالات أكسدة هذه العناصر. لتحديد المعاملات في مثل هذه المعادلات ، يستخدم المرء عادة الطريقة " توازن إلكتروني".
عندما يتكون الماء من الهيدروجين والأكسجين ، فهذا يعني ذلك هيدروجينغيرت حالة الأكسدة من 0 قبل + أنا، أ الأكسجين- من 0 قبل الثاني. في نفس الوقت ، عدة (ن)الإلكترونات:
يخدم هنا الإلكترونات المتبرعة بالهيدروجين الحد من وكيل، والإلكترونات المستقبلة للأكسجين - عامل مؤكسد.
عوامل مؤكسدة واختزال
لنرى الآن كيف تبدو عمليتا إعطاء واستقبال الإلكترونات بشكل منفصل. هيدروجين، بعد أن اجتمع مع "السارق" - الأكسجين ، يفقد كل خصائصه - إلكترونين ، وتصبح حالة الأكسدة فيه تساوي + أنا:
H 2 0 - 2 ه- = 2Н + أنا
حدث معادلة نصف تفاعل الأكسدةهيدروجين.
واللصوص الأكسجين حوالي 2، بعد أن أخذ آخر إلكترونات من الهيدروجين المؤسف ، مسرور جدًا بحالة الأكسدة الجديدة -II:
يا 2 + 4 ه- = 2O - II
هذه معادلة رد فعل نصف الاختزالالأكسجين.
يبقى أن نضيف أن كلاً من "اللصوص" و "ضحيته" فقدوا هويتهم الكيميائية ومن مواد بسيطة - غازات ذات جزيئات ثنائية الذرة ح 2و حوالي 2تحولت إلى مكونات لمادة كيميائية جديدة - ماء H 2 O.
علاوة على ذلك ، سوف نجادل على النحو التالي: كم عدد الإلكترونات التي أعطاها المخفض للقطاع المؤكسد ، هذا هو المقدار الذي حصل عليه. يجب أن يكون عدد الإلكترونات التي يمنحها عامل الاختزال مساويًا لعدد الإلكترونات التي يقبلها العامل المؤكسد..
لذا عليك معادلة عدد الإلكتروناتفي ردود الفعل النصف الأول والثاني. في الكيمياء ، يُقبل الشكل الشرطي التالي لكتابة معادلات نصف التفاعلات:
2 H 2 0 - 2 ه- = 2Н + أنا |
|
1 O 2 0 + 4 ه- = 2O - II |
هنا ، يعد الرقمان 2 و 1 على يسار القوس المتعرج من العوامل التي ستساعد في ضمان تساوي عدد الإلكترونات المعطاة والمستلمة. نأخذ في الاعتبار أنه في معادلات نصف التفاعلات يتم إعطاء إلكترونين بعيدًا ، ويتم قبول 4. لمعادلة عدد الإلكترونات المستقبلة والمعطاة ، تم إيجاد المضاعف المشترك الأصغر والعوامل الإضافية. في حالتنا ، المضاعف المشترك الأصغر هو 4. العوامل الإضافية ستكون 2 للهيدروجين (4: 2 = 2) ، وللأكسجين - 1 (4: 4 = 1)
ستكون المضاعفات الناتجة بمثابة معاملات معادلة التفاعل المستقبلية:
2H 2 0 + O 2 0 \ u003d 2H 2 + I O -II
هيدروجين مؤكسدليس فقط عند الاجتماع الأكسجين. تقريبا نفس التأثير على الهيدروجين و الفلور F2، الهالوجين و "السارق" الشهير ، والذي يبدو غير ضار نتروجين العدد 2:
H 2 0 + F 2 0 = 2H + I F −I |
3H 2 0 + N 2 0 \ u003d 2N -III H 3 + I |
وينتج عنه فلوريد الهيدروجين HFأو الأمونيا NH3.
في كلا المركبين ، حالة الأكسدة هيدروجينيصبح متساويا + أنا، لأنه حصل على شركاء في الجزيء "جشع" لمصلحة إلكترونية لشخص آخر ، مع كهرسلبية عالية - الفلور Fو نتروجين ن. في نتروجينتعتبر قيمة الكهربية مساوية لثلاث وحدات تقليدية ، و y الفلوربشكل عام ، أعلى كهرسلبية بين جميع العناصر الكيميائية هي أربع وحدات. لذلك فلا عجب أنهم يتركون ذرة الهيدروجين الفقيرة بدون أي بيئة إلكترونية.
ولكن هيدروجينيمكن يعيد- تقبل الإلكترونات. يحدث هذا إذا شاركت الفلزات القلوية أو الكالسيوم ، حيث تكون الكهربية الكهربية أقل من الهيدروجين ، في التفاعل معها.
في الدرس 22 الخصائص الكيميائية للهيدروجين»من الدورة« كيمياء الدمى»تعرف على المواد التي يتفاعل معها الهيدروجين. اكتشف الخصائص الكيميائية للهيدروجين.
يدخل الهيدروجين في تفاعلات كيميائية بمواد بسيطة ومعقدة. ومع ذلك ، في ظل الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غير نشط. لتفاعله مع المواد الأخرى ، من الضروري تهيئة الظروف: زيادة درجة الحرارة ، واستخدام محفز ، إلخ.
تفاعلات الهيدروجين مع مواد بسيطة
عند تسخينه ، يدخل الهيدروجين في تفاعل تركيبي مع مواد بسيطة - الأكسجين والكلور والنيتروجين والكبريت.
إذا أضرمت النار في الهيدروجين النقي في الهواء ، وخرج من أنبوب مخرج الغاز ، فإنه يحترق بلهب متساوٍ بالكاد يمكن ملاحظته. الآن دعونا نضع أنبوبًا به هيدروجين محترق في إناء أكسجين (الشكل 95).
يستمر احتراق الهيدروجين ، بينما تظهر قطرات الماء المتكونة نتيجة التفاعل على جدران البرطمان:
عندما يحترق الهيدروجين ، يتم إطلاق الكثير من الحرارة. تصل درجة حرارة لهب الأكسجين - الهيدروجين إلى أكثر من 2000 درجة مئوية.
يشير التفاعل الكيميائي للهيدروجين مع الأكسجين إلى تفاعلات مركبة. نتيجة التفاعل يتكون أكسيد الهيدروجين (الماء). هذا يعني أن الأكسجين قد تأكسد ، أي يمكننا أيضًا أن نطلق على هذا التفاعل تفاعل أكسدة.
ومع ذلك ، إذا تم جمع كمية صغيرة من الهيدروجين في أنبوب اختبار مقلوبًا رأسًا على عقب عن طريق إزاحة الهواء ، ثم تم إحضار عود ثقاب محترق إلى ثقبه ، فحينئذٍ يصدر صوت "نباح" مرتفع لانفجار صغير لمزيج من الهيدروجين و سوف يسمع الهواء. يسمى هذا الخليط "المتفجر".
في ملاحظة: غالبًا ما تكون قدرة الهيدروجين في خليط مع الهواء على تكوين "غاز متفجر" سببًا لحوادث البالونات المملوءة بالهيدروجين. أدى انتهاك إحكام القذيفة إلى نشوب حريق بل وانفجار. في الوقت الحاضر ، تمتلئ البالونات بالهيليوم أو يتم ضخها باستمرار بالهواء الساخن.
في جو من الكلور ، يحترق الهيدروجين ليشكل مادة معقدة - كلوريد الهيدروجين. في هذه الحالة ، يستمر التفاعل:
يحدث تفاعل الهيدروجين مع النيتروجين عند درجة حرارة وضغط مرتفعين في وجود محفز. نتيجة التفاعل تتكون الأمونيا NH 3:
إذا تم توجيه تيار من الهيدروجين إلى الكبريت المذاب في أنبوب اختبار ، فسيتم الشعور برائحة البيض الفاسد عند ثقبه. هذه هي الطريقة التي يشم بها غاز كبريتيد الهيدروجين H 2S - نتاج تفاعل الهيدروجين مع الكبريت:
في ملاحظة: الهيدروجين قادر ليس فقط على الذوبان في بعض المعادن ، ولكن أيضًاجيرات معهم. هذا يشكل مركبات كيميائية تسمى الهيدريدات (NaH - هيدريد الصوديوم). تستخدم هيدريدات بعض المعادن كوقود في محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب ، وكذلك في إنتاج الطاقة الحرارية النووية.
تفاعلات الهيدروجين مع المواد المعقدة
يتفاعل الهيدروجين في درجات حرارة مرتفعة ليس فقط مع المواد البسيطة ولكن أيضًا مع المواد المعقدة. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، تفاعلها مع أكسيد النحاس (II) CuO (الشكل 96).
دعونا نمرر الهيدروجين فوق المسحوق الساخن لأكسيد النحاس (II) CuO. مع استمرار التفاعل ، يتغير لون المسحوق من الأسود إلى الأحمر البني. هذا هو لون مادة النحاس البسيطة Cu. أثناء التفاعل ، تظهر قطرات من السائل على الأجزاء الباردة من أنبوب الاختبار. هذا منتج آخر للتفاعل - ماء H 2 O. لاحظ أنه ، على عكس مادة النحاس البسيطة ، فإن الماء مادة معقدة.
معادلة تفاعل أكسيد النحاس (II) مع الهيدروجين:
يظهر تفاعل الهيدروجين مع أكسيد النحاس (II) القدرة على سحب الأكسجين من أكسيد الفلز ، وبالتالي استعادة المعدن من هذا الأكسيد. نتيجة لذلك ، هناك استعادة النحاسمن المادة المعقدة CuO إلى النحاس المعدني (Cu).
ردود فعل الانتعاش- هذه تفاعلات تتبرع فيها المواد المعقدة بذرات الأكسجين لمواد أخرى.
تسمى المادة التي تزيل ذرات الأكسجين عامل الاختزال. في التفاعل مع أكسيد النحاس (II) ، يكون عامل الاختزال هو الهيدروجين. يتفاعل الهيدروجين أيضًا مع أكاسيد بعض المعادن الأخرى ، مثل PbO و HgO و MoO 3 و WO 3 وغيرها ، ودائمًا ما يرتبط الأكسدة والاختزال ببعضهما البعض. في حالة أكسدة مادة (H 2) ، يتم تقليل المادة الأخرى (CuO) والعكس صحيح.
ملخص الدرس:
- عند تسخينه ، يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين والكلور والنيتروجين والكبريت.
- الاستعادة هي إعطاء ذرات الأكسجين بواسطة مواد معقدة إلى مواد أخرى.
- عمليات الأكسدة والاختزال مترابطة.
أتمنى أن يكون الدرس 22 " الخصائص الكيميائية للهيدروجينكان واضحًا وغنيًا بالمعلومات. إذا كان لديك أي أسئلة ، فاكتبها في التعليقات.
توصيف العناصر s
تشتمل كتلة العناصر s على 13 عنصرًا ، يشترك فيها البناء في ذراتها من المستوى الفرعي s لمستوى الطاقة الخارجية.
على الرغم من تصنيف الهيدروجين والهيليوم على أنهما عناصر s نظرًا للطبيعة المحددة لخصائصهما ، إلا أنه يجب النظر إليهما بشكل منفصل. الهيدروجين والصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم عناصر حيوية.
تُظهر مركبات العناصر s أنماطًا شائعة في الخصائص ، وهو ما يفسره تشابه البنية الإلكترونية لذراتها. جميع الإلكترونات الخارجية تكافؤ وتشارك في تكوين روابط كيميائية. لذلك ، فإن أقصى حالة أكسدة لهذه العناصر في المركبات هي عددالإلكترونات في الطبقة الخارجية ، وبالتالي ، تساوي عدد المجموعة التي يقع فيها هذا العنصر. تكون حالة أكسدة معادن العنصر s إيجابية دائمًا. ميزة أخرى هي أنه بعد فصل إلكترونات الطبقة الخارجية ، يبقى أيون به غلاف غاز نبيل. مع زيادة الرقم التسلسلي للعنصر ، نصف القطر الذري ، تنخفض طاقة التأين (من 5.39 eV y Li إلى 3.83 eV y Fr) ، ويزداد نشاط الاختزال للعناصر.
الغالبية العظمى من مركبات العناصر s عديمة اللون (على عكس مركبات العناصر d) ، حيث يتم استبعاد انتقال الإلكترونات d من مستويات الطاقة المنخفضة إلى مستويات الطاقة الأعلى ، والتي تسبب اللون.
مركبات عناصر المجموعات IA - IIA هي أملاح نموذجية ؛ في محلول مائي ، تنفصل تمامًا تقريبًا إلى أيونات ولا تخضع للتحلل المائي الكاتيوني (باستثناء أملاح Be 2+ و Mg 2+).
هيدروجين الهيدروجين التساهمي الأيوني
بالنسبة إلى أيونات العناصر s ، فإن التكوين المعقد ليس نموذجيًا. عُرفت المجمعات المتبلورة لعناصر s مع روابط H 2 O- هيدرات بلورية منذ العصور القديمة ، على سبيل المثال: Na 2 B 4 O 7 10H 2 O-borax، KАl (SO 4) 2 12H 2 O-alum. تتجمع جزيئات الماء في الهيدرات البلورية حول الكاتيون ، ولكنها أحيانًا تحيط بالأنيون تمامًا. بسبب الشحنة الصغيرة للأيون ونصف القطر الكبير للأيون ، تكون الفلزات القلوية أقل عرضة لتكوين المجمعات ، بما في ذلك المجمعات المائية. تعمل أيونات الليثيوم والبريليوم والمغنيسيوم كعوامل معقدة في المركبات المعقدة ذات الثبات المنخفض.
هيدروجين. الخصائص الكيميائية للهيدروجين
الهيدروجين هو أخف عنصر s. تكوينه الإلكتروني في الحالة الأرضية هو 1S 1. تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون وإلكترون واحد. تكمن خصوصية الهيدروجين في أن إلكترون التكافؤ يقع مباشرة في مجال عمل النواة الذرية. لا يحتوي الهيدروجين على طبقة إلكترونية وسيطة ، لذلك لا يمكن اعتبار الهيدروجين نظيرًا إلكترونيًا للمعادن القلوية.
مثل الفلزات القلوية ، الهيدروجين هو عامل اختزال ويعرض حالة أكسدة +1. أطياف الهيدروجين مماثلة لتلك الموجودة في الفلزات القلوية. يشبه الهيدروجين الفلزات القلوية في قدرته على إعطاء أيون رطب موجب الشحنة H + في المحاليل.
مثل الهالوجين ، تفتقد ذرة الهيدروجين إلكترونًا واحدًا. هذا هو سبب وجود أيون الهيدريد H -.
بالإضافة إلى ذلك ، مثل ذرات الهالوجين ، تتميز ذرات الهيدروجين بطاقة تأين عالية (1312 كيلو جول / مول). وهكذا ، يحتل الهيدروجين مكانة خاصة في الجدول الدوري للعناصر.
الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون ، ويمثل ما يصل إلى نصف كتلة الشمس ومعظم النجوم.
على الشمس والكواكب الأخرى ، يكون الهيدروجين في الحالة الذرية ، في الوسط النجمي على شكل جزيئات ثنائية الذرة متأينة جزئيًا.
للهيدروجين ثلاثة نظائر. البروتيوم 1 H والديوتيريوم 2 D والتريتيوم 3 T مع التريتيوم كنظير مشع.
تتميز جزيئات الهيدروجين بالقوة العالية وقابلية الاستقطاب المنخفضة ، الحجم الصغير والكتلة المنخفضة ، والقدرة العالية على الحركة. لذلك ، يحتوي الهيدروجين على نقاط انصهار منخفضة جدًا (-259.2 درجة مئوية) ونقاط غليان (-252.8 درجة مئوية). بسبب طاقة التفكك العالية (436 كيلوجول / مول) ، فإن تحلل الجزيئات إلى ذرات يحدث عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية. الهيدروجين غاز عديم اللون ، عديم الرائحة والمذاق. له كثافة منخفضة - 8.99 · 10 -5 جم / سم عند ضغوط عالية جدًا ، يمر الهيدروجين إلى الحالة المعدنية. يُعتقد أن الهيدروجين في حالة معدنية على الكواكب البعيدة في النظام الشمسي - المشتري وزحل. هناك افتراض بأن تكوين لب الأرض يشمل أيضًا الهيدروجين المعدني ، حيث يكون عند الضغط العالي للغاية الناتج عن وشاح الأرض.
الخواص الكيميائية. في درجة حرارة الغرفة ، يتفاعل الهيدروجين الجزيئي فقط مع الفلور ، عند تعريضه للإشعاع بالضوء - بالكلور والبروم ، عند تسخينه باستخدام O 2 ، S ، Se ، N 2 ، C ، I 2.
تستمر تفاعلات الهيدروجين مع الأكسجين والهالوجينات وفقًا لآلية الجذر.
يعتبر التفاعل مع الكلور مثالاً على تفاعل غير متفرع عند تعريضه للإشعاع بالضوء (تنشيط كيميائي ضوئي) ، عند تسخينه (تنشيط حراري).
Cl + H 2 \ u003d HCl + H (تطوير السلسلة)
H + Cl 2 \ u003d HCl + Cl
يعد انفجار الغاز المتفجر - خليط الهيدروجين والأكسجين - مثالاً على عملية متفرعة السلسلة ، عندما لا تتضمن السلسلة التي تم البدء فيها واحدة ، بل عدة مراحل:
H 2 + O 2 \ u003d 2OH
H + O 2 \ u003d OH + O
O + H 2 \ u003d OH + H
OH + H 2 \ u003d H 2 O + H
يمكن تجنب عملية التفجير من خلال العمل مع الهيدروجين النقي.
نظرًا لأن الهيدروجين يتميز بحالة الأكسدة الموجبة (+1) والسالبة (-1) ، يمكن أن يُظهر الهيدروجين خصائص الاختزال والأكسدة.
تتجلى خصائص تقليل الهيدروجين عند التفاعل مع غير المعادن:
H 2 (g) + Cl 2 (g) \ u003d 2HCl (g) ،
2H 2 (g) + O 2 (g) \ u003d 2H 2 O (g) ،
تستمر هذه التفاعلات مع إطلاق كمية كبيرة من الحرارة ، مما يشير إلى طاقة (قوة) عالية من روابط H-Cl ، H O. لذلك ، يعرض الهيدروجين خصائص مختزلة فيما يتعلق بالعديد من الأكاسيد والهاليدات ، على سبيل المثال:
هذا هو الأساس لاستخدام الهيدروجين كعامل اختزال للحصول على مواد بسيطة من أكاسيد الهاليد.
عامل الاختزال الأقوى هو الهيدروجين الذري. يتكون من الجزيئي في تفريغ الإلكترون تحت ظروف الضغط المنخفض.
يحتوي الهيدروجين على نشاط اختزال مرتفع في لحظة إطلاقه أثناء تفاعل معدن مع حمض. يقلل هذا الهيدروجين CrCl 3 إلى CrCl 2:
2CrCl 3 + 2HCl + 2Zn = 2CrCl 2 + 2ZnCl 2 + H 2 ^
تفاعل الهيدروجين مع أكسيد النيتريك (II) مهم:
2NO + 2H 2 = N 2 + H 2 O
يستخدم في أنظمة التنقية في إنتاج حامض النيتريك.
كعامل مؤكسد ، يتفاعل الهيدروجين مع المعادن النشطة:
في هذه الحالة ، يتصرف الهيدروجين مثل الهالوجين ، مكونًا هاليدات مماثلة الهيدريدات.
هيدريدات المجموعة الأولى s لها بنية أيونية من نوع كلوريد الصوديوم. كيميائيا ، تتصرف الهيدريدات الأيونية مثل المركبات الأساسية.
تشتمل العناصر التساهمية على هيدرات العناصر غير المعدنية الأقل كهربيًا من الهيدروجين نفسه ، على سبيل المثال ، هيدرات تركيبة SiH 4 ، BH 3 ، CH 4. بطبيعتها الكيميائية ، تعتبر الهيدريدات غير المعدنية مركبات حمضية.
السمة المميزة للتحلل المائي للهيدريدات هي إطلاق الهيدروجين ، ويستمر التفاعل وفقًا لآلية الأكسدة والاختزال.
هيدريد أساسي
هيدريد حمض
بسبب إطلاق الهيدروجين ، يستمر التحلل المائي تمامًا وبشكل لا رجوع فيه (؟ Н<0, ?S>0). في هذه الحالة ، تشكل الهيدريدات الأساسية أحماض قلوية وحمضية.
الإمكانات القياسية للنظام هي B. لذلك ، فإن H أيون هو عامل اختزال قوي.
في المختبر ، يتم الحصول على الهيدروجين عن طريق تفاعل الزنك مع حمض الكبريتيك بنسبة 20٪ في جهاز كيب.
غالبًا ما يحتوي الزنك التقني على شوائب صغيرة من الزرنيخ والأنتيمون ، والتي يتم تقليلها بواسطة الهيدروجين في وقت إطلاقها إلى غازات سامة: أرسين SbH 3 و stabyne SbH يمكن أن يكون هذا الهيدروجين سامًا. مع الزنك النقي كيميائيًا ، يستمر التفاعل ببطء بسبب الجهد الزائد ولا يمكن الحصول على تيار هيدروجين جيد. يتم زيادة معدل هذا التفاعل بإضافة بلورات كبريتات النحاس ، ويتم تسريع التفاعل عن طريق تكوين زوج من النحاس والزنك الجلفاني.
يتشكل المزيد من الهيدروجين النقي بفعل تأثير القلويات على السيليكون أو الألومنيوم عند تسخينه:
في الصناعة ، يتم الحصول على الهيدروجين النقي عن طريق التحليل الكهربائي للماء المحتوي على إلكتروليتات (Na 2 SO 4 ، Ba (OH) 2).
تتشكل كمية كبيرة من الهيدروجين كمنتج ثانوي أثناء التحليل الكهربائي لمحلول مائي من كلوريد الصوديوم مع غشاء يفصل بين الكاثود ومساحة الأنود ،
يتم الحصول على أكبر كمية من الهيدروجين عن طريق تغويز الوقود الصلب (أنثراسايت) بالبخار المحمص:
أو تحويل الغاز الطبيعي (الميثان) عن طريق البخار المحمص:
يستخدم الخليط الناتج (الغاز التخليقي) في إنتاج العديد من المركبات العضوية. يمكن زيادة إنتاج الهيدروجين عن طريق تمرير الغاز التخليقي فوق المحفز ، بينما يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون.
طلب.يتم استهلاك كمية كبيرة من الهيدروجين في تخليق الأمونيا. لإنتاج كلوريد الهيدروجين وحمض الهيدروكلوريك ، من أجل هدرجة الدهون النباتية ، لتقليل المعادن (Mo ، W ، Fe) من الأكاسيد. تستخدم لهب الهيدروجين والأكسجين في اللحام والقطع والصهر للمعادن.
يستخدم الهيدروجين السائل كوقود للصواريخ. وقود الهيدروجين صديق للبيئةوأكثر كثافة في استخدام الطاقة من البنزين ، لذلك قد يحل محل المنتجات البترولية في المستقبل. بالفعل ، عدة مئات من السيارات تعمل بالهيدروجين في العالم. ترتبط مشاكل طاقة الهيدروجين بتخزين ونقل الهيدروجين. يتم تخزين الهيدروجين في صهاريج تحت الأرض في حالة سائلة تحت ضغط 100 ضغط جوي. يشكل نقل كميات كبيرة من الهيدروجين السائل خطرًا جسيمًا.
تعريف
هيدروجين- العنصر الأول في النظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D.I. مندليف. الرمز هو N.
الكتلة الذرية - 1 صباحًا. جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - H 2.
التكوين الإلكتروني لذرة الهيدروجين هو 1s 1. ينتمي الهيدروجين إلى عائلة عنصر S. يعرض في مركباته حالات الأكسدة -1 ، 0 ، +1. يتكون الهيدروجين الطبيعي من نظيرين مستقرين - البروتيوم 1 H (99.98٪) والديوتيريوم 2 H (D) (0.015٪) - والنظير المشع من التريتيوم 3 H (T) (كميات ضئيلة ، نصف العمر - 12.5 سنة).
الخصائص الكيميائية للهيدروجين
في ظل الظروف العادية ، يُظهر الهيدروجين الجزيئي تفاعلًا منخفضًا نسبيًا ، وهو ما يفسره قوة الرابطة العالية في الجزيء. عند تسخينه ، يتفاعل مع جميع المواد البسيطة تقريبًا التي تتكون من عناصر المجموعات الفرعية الرئيسية (باستثناء الغازات النبيلة ، B ، Si ، P ، Al). في التفاعلات الكيميائية ، يمكن أن يعمل كعامل مختزل (في كثير من الأحيان) وعامل مؤكسد (في كثير من الأحيان).
مظاهر الهيدروجين تقليل خصائص العامل(H 2 0 -2e → 2H +) في التفاعلات التالية:
1. تفاعلات التفاعل مع المواد البسيطة - اللافلزات. يتفاعل الهيدروجين مع الهالوجيناتعلاوة على ذلك ، تفاعل التفاعل مع الفلور في الظروف العادية ، في الظلام ، مع انفجار ، مع الكلور - تحت الإضاءة (أو الإشعاع فوق البنفسجي) بواسطة آلية متسلسلة ، مع البروم واليود فقط عند تسخينهما ؛ الأكسجين(يسمى خليط من الأكسجين والهيدروجين بنسبة حجم 2: 1 "غاز متفجر") ، اللون الرمادي, نتروجينو كربون:
H 2 + هال 2 \ u003d 2Hal ؛
2H 2 + O 2 \ u003d 2H 2 O + Q (t) ؛
H 2 + S \ u003d H 2 S (t \ u003d 150-300 درجة مئوية) ؛
3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C، p، kat = Fe، Pt) ؛
2H 2 + C CH 4 (t، p، kat).
2. تفاعلات التفاعل مع المواد المعقدة. يتفاعل الهيدروجين مع أكاسيد المعادن منخفضة النشاط، وهي قادرة على تقليل المعادن الموجودة في سلسلة النشاط على يمين الزنك فقط:
CuO + H 2 \ u003d Cu + H 2 O (t) ؛
Fe 2 O 3 + 3H 2 \ u003d 2Fe + 3H 2 O (t) ؛
WO 3 + 3H 2 \ u003d W + 3H 2 O (t).
يتفاعل الهيدروجين مع أكاسيد غير معدنية:
H 2 + CO 2 CO + H 2 O (t) ؛
2H 2 + CO CH 3 OH (t = 300C، p = 250-300 atm.، kat = ZnO، Cr 2 O 3).
يدخل الهيدروجين في تفاعلات الهدرجة مع المركبات العضوية من فئة الألكانات الحلقية والألكينات والأرينات والألدهيدات والكيتونات وما إلى ذلك. تتم جميع هذه التفاعلات تحت التسخين أو تحت الضغط ، ويستخدم البلاتين أو النيكل كمحفزات:
CH 2 \ u003d CH 2 + H 2 CH 3 -CH 3 ؛
ج 6 H 6 + 3 H 2 ↔ C 6 H 12 ؛
ج 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8 ؛
CH 3 CHO + H 2 CH 3 -CH 2-OH ؛
CH 3 -CO-CH 3 + H 2 CH 3 -CH (OH) -CH 3.
هيدروجين كعامل مؤكسد(H 2 + 2e → 2H -) يعمل في التفاعلات مع الفلزات الأرضية القلوية والقلوية. في هذه الحالة ، تتشكل الهيدريدات - مركبات أيونية بلورية يظهر فيها الهيدروجين حالة أكسدة -1.
2Na + H 2 2NaH (ر ، ص).
Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t ، p).
الخصائص الفيزيائية للهيدروجين
الهيدروجين غاز خفيف عديم اللون ، عديم الرائحة ، كثافة عند n.o. - 0.09 جم / لتر ، أخف من الهواء بـ 14.5 مرة ، t bale = -252.8C ، t pl = - 259.2C. الهيدروجين قابل للذوبان بشكل ضعيف في الماء والمذيبات العضوية ، وهو قابل للذوبان بدرجة عالية في بعض المعادن: النيكل والبلاديوم والبلاتين.
وفقًا للكيمياء الكونية الحديثة ، فإن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون. الشكل الرئيسي لوجود الهيدروجين في الفضاء الخارجي هو الذرات الفردية. الهيدروجين هو العنصر التاسع الأكثر وفرة على الأرض. تكون الكمية الرئيسية للهيدروجين على الأرض في حالة ملزمة - في تكوين الماء والنفط والغاز الطبيعي والفحم وما إلى ذلك. نادرا ما يوجد الهيدروجين في شكل مادة بسيطة - في تكوين الغازات البركانية.
الحصول على الهيدروجين
هناك طرق مختبرية وصناعية لإنتاج الهيدروجين. تشمل الطرق المعملية تفاعل المعادن مع الأحماض (1) ، وكذلك تفاعل الألومنيوم مع المحاليل المائية للقلويات (2). من بين الطرق الصناعية لإنتاج الهيدروجين ، يلعب التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للقلويات والأملاح (3) وتحويل الميثان (4) دورًا مهمًا:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1) ؛
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2) ؛
2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3) ؛
CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).
أمثلة على حل المشكلات
مثال 1
| ممارسه الرياضه | عندما تفاعل 23.8 جم من القصدير المعدني مع فائض من حمض الهيدروكلوريك ، تم إطلاق الهيدروجين بكمية كافية للحصول على 12.8 جم من النحاس المعدني. حدد درجة أكسدة القصدير في المركب الناتج. |
| المحلول | استنادًا إلى الهيكل الإلكتروني لذرة القصدير (... 5s 2 5p 2) ، يمكننا أن نستنتج أن القصدير يتميز بحالتين من حالات الأكسدة - +2 ، +4. بناءً على ذلك ، سنقوم بتكوين معادلات التفاعلات المحتملة: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1) ؛ Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2) ؛ CuO + H 2 \ u003d Cu + H 2 O (3). أوجد كمية مادة النحاس: الخامس (نحاس) \ u003d م (نحاس) / م (نحاس) \ u003d 12.8 / 64 \ u003d 0.2 مول. حسب المعادلة 3 كمية مادة الهيدروجين: v (H 2) \ u003d v (Cu) \ u003d 0.2 مول. بمعرفة كتلة القصدير نجد مقدار مادته: v (Sn) \ u003d m (Sn) / M (Sn) = 23.8 / 119 \ u003d 0.2 مول. دعونا نقارن كميات القصدير والمواد الهيدروجينية حسب المعادلتين 1 و 2 وبحسب حالة المشكلة: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1: 1 (المعادلة 1) ؛ v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1: 2 (المعادلة 2) ؛ v (Sn): v (H 2) = 0.2: 0.2 = 1: 1 (حالة مشكلة). لذلك ، يتفاعل القصدير مع حمض الهيدروكلوريك وفقًا للمعادلة 1 وتكون حالة أكسدة القصدير +2. |
| إجابه | حالة أكسدة القصدير هي +2. |
مثال 2
| ممارسه الرياضه | تم تمرير الغاز الناتج عن عمل 2.0 جم من الزنك لكل 18.7 مل من 14.6٪ حمض الهيدروكلوريك (كثافة المحلول 1.07 جم / مل) بالتسخين فوق 4.0 جم من أكسيد النحاس (II). ما كتلة المزيج الصلب الناتج؟ |
| المحلول | عندما يتفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك ، يتم إطلاق الهيدروجين: Zn + 2HCl \ u003d ZnCl 2 + H 2 (1) ، والذي عند تسخينه يقلل أكسيد النحاس الثنائي إلى نحاس (2): CuO + H 2 \ u003d Cu + H 2 O. أوجد كمية المواد في التفاعل الأول: م (p-ra Hcl) = 18.7. 1.07 = 20.0 جم ؛ م (حمض الهيدروكلوريك) = 20.0. 0.146 = 2.92 جم ؛ الخامس (حمض الهيدروكلوريك) = 2.92 / 36.5 = 0.08 مول ؛ الخامس (الزنك) = 2.0 / 65 = 0.031 مول. نقص الزنك ، وبالتالي فإن كمية الهيدروجين التي يتم إطلاقها هي: v (H 2) \ u003d v (Zn) = 0.031 مول. في التفاعل الثاني ، يكون الهيدروجين ناقصًا للأسباب التالية: v (CuO) = 4.0 / 80 = 0.05 مول. نتيجة للتفاعل ، سيتحول 0.031 مول من CuO إلى 0.031 مول من النحاس ، وستكون خسارة الكتلة: م (СuО) - م (Сu) = 0.031 × 80 - 0.031 × 64 = 0.50 جم. ستكون كتلة الخليط الصلب من CuO مع Cu بعد مرور الهيدروجين: 4.0-0.5 = 3.5 جرام |
| إجابه | كتلة المزيج الصلب من CuO مع Cu هي 3.5 جم. |