Culoarea hidrogenului în stare gazoasă. Hidrogen lichid: proprietăți și aplicații

• Desemnarea - H (hidrogen);
• Numele latinei - hidrogenium;
• Perioada - i;
• Grupul - 1 (ia);
• Masa atomică - 1.00794;
• Numărul atomic - 1;
• Radius de atom \u003d 53 pm;
• Radius covalent \u003d 32 pm;
• Distribuția electronică - 1s 1;
• t topire \u003d -259,14 ° C;
• t fierbere \u003d -252,87 ° C;
• Electricitate (de Paulonga / de Alpreda și Rokhov) \u003d 2.02 / -;
• Gradul de oxidare: +1; 0; -unu;
• Densitate (n. Y.) \u003d 0,0000899 g / cm3;
• Volum molar \u003d 14,1 cm3 / mol.

Compușii binați de hidrogen cu oxigen:

Hidrogen ("apă referitor") a fost deschis de către omul de știință englez. Cavendish în 1766. Acesta este cel mai simplu element în natură - un atom de hidrogen are un kernel și un electron, probabil, din acest motiv, hidrogenul este cel mai comun element din univers (este mai mult de jumătate din masa celor mai multe stele).

Putem spune despre hidrogenul că "o mică bobină, da drumuri". În ciuda "simplității" sale, hidrogenul dă energie tuturor ființelor vii de pe pământ - o reacție termonucleară continuă este în curs de desfășurare la soare în timpul căreia un atom al heliu este format din patru atomi de hidrogen, acest proces este însoțit de eliberarea unei cantități colosale de energie (a se vedea sinteza nucleară).

În crusta Pământului, fracția de masă a hidrogenului este de numai 0,15%. Între timp, numărul copleșitor (95%) din toate substanțele chimice cunoscute pe pământ conține unul sau mai mulți atomi de hidrogen.

În conexiunile cu non-metalele (HCI, H20, CH4 ...), hidrogenul își dă propriile elemente electronegative electronice, arătând gradul de oxidare +1 (mai des), formând doar legături covalente (a se vedea legătura covalentă) .

În compușii cu metale (NaH, CAH2 ...) hidrogen, dimpotrivă, își ia singurul electron S-orbital, încercând astfel să-și completeze stratul electronic, arătând gradul de oxidare -1 (mai puțin frecvent), formând Mai des, comunicarea ionică (vezi conexiunea ionică), deoarece diferența de electronegativitate a atomului de hidrogen și a atomului de metal poate fi destul de mare.

H 2.

Într-o stare gazoasă, hidrogenul este sub formă de molecule cu două căminuri, formând o legătură covalentă non-polară.

Moleculele de hidrogen posedă:

• mare mobilitate;
• o mare rezistență;
• polarizabilitate scăzută;
• dimensiuni mici și masă.

Proprietăți de gaz hidrogen:

• cel mai simplu gaz în natură, fără culoare și miros;
• slab dizolvat în apă și solvenți organici;
• În numere minore, se dizolvă în metale lichide și solide (în special în platină și paladiu);
• este dificil de lichefia (datorită polarizabilității lor mici);
• are cea mai mare conductivitate termică a tuturor gazelor cunoscute;
• atunci când este încălzit, reacționează cu multe ne-metale, arătând proprietățile agentului reducător;
• la temperatura camerei reacționează cu fluor (apare explozie): H2 + F 2 \u003d 2HF;
• cu metale reacționează la formarea hidrurilor, indicând proprietăți oxidative: H 2 + CA \u003d CAH2;

În compuși, hidrogenul prezintă proprietățile sale de reabilitare mult mai mult decât oxidativ. 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 produce metale și ne-metale (substanțe simple) de la oxizi și galiu.

Fe 2 O 3 + 3H2 \u003d 2FE + 3H 2 O

Reacții de hidrogen cu substanțe simple

Hidrogenul ia un electron jucând un rol restaurator., Reacții:

• din oxigen (în aprindere sau în prezența unui catalizator), în raportul 2: 1 (hidrogen: oxigen) se formează gazul armoniu exploziv: 2H2 0 + O 2 \u003d 2H2 +1 O + 572 KJ
• din gri (Când este încălzit la 150 ° C-300 ° C): H 2 0 + S ↔ H 2 +1 S
• din chlorom. (la aprinderea sau iradierea razelor UV): H2 0 + CL 2 \u003d 2H +1 CI
• din fluor: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
• din azot (Când este încălzit în prezența catalizatorilor sau la presiune înaltă): 3H2 0 + N 2 ↔ 2NH 3 +1

Hidrogenul dă un electron, jucând un rol oxidant, în reacții cu alcalin și pământ alcalin Metalele cu formarea hidridelor metalice - compuși ioni salină care conțin ioni de hidrură H - sunt instabile cristaline în-la-wa.

CA + H 2 \u003d CAH2 -1 2NA + H 2 0 \u003d 2NAH -1

Pentru hidrogen, este neobișnuit să se arate gradul de oxidare -1. Reacționarea cu apă, hidrurile se descompun, restabilind apa la hidrogen. Reacția de hidrură de calciu cu apă este după cum urmează:

Cah 2 -1 + 2H2 +1 0 \u003d 2H2 0 + ca (OH) 2

Reacții cu hidrogen cu substanțe complexe

• la temperaturi ridicate, hidrogenul restabilește mulți oxizi de metal: ZNO + H 2 \u003d ZN + H20
• alcoolul metilic este obținut ca rezultat al reacției de hidrogen cu oxidul de carbon (II): 2H2 + CO → CH3OH OH
• În reacțiile de hidrogenare, hidrogenul reacționează cu multe substanțe organice.

În detaliu, ecuația reacțiilor chimice de hidrogen și compușii săi sunt luate în considerare pe pagina "Hidrogen și compușii săi - ecuațiile reacțiilor chimice care implică hidrogen".

Utilizarea hidrogenului

• În puterea nucleară, izotopii de hidrogen sunt utilizați - deuteriu și tritiu;
• În industria chimică, hidrogenul este utilizat pentru a sintetiza numeroase substanțe organice, amoniac, clorură;
• În industria alimentară, hidrogenul este utilizat în producerea de grăsimi solide prin hidrogenarea uleiurilor vegetale;
• pentru sudarea și tăierea metalelor, se utilizează o temperatură ridicată de ardere a hidrogenului în oxigen (2600 ° C);
• la obținerea unor metale, hidrogenul este utilizat ca agent reducător (vezi mai sus);
• deoarece hidrogenul este gazul deschis, acesta este folosit în aeronautică ca un umplutură de baloane, baloane, aeronave;
• deoarece combustibilul de hidrogen este utilizat în amestec cu CO.

Recent, oamenii de știință plătesc o atenție deosebită căutării surse alternative energie regenerabila. Una dintre zonele promițătoare este energia "hidrogen" în care hidrogenul este utilizat ca combustibil, al cărui produs de combustie este apa obișnuită.

Metode de producere a hidrogenului

Metode industriale de producere a hidrogenului:

• conversia metanului (reducerea catalitică a vaporilor de apă) la temperaturi ridicate (800 ° C) pe un catalizator de nichel: CH4 + 2H20 \u003d 4H2 + CO 2;
• conversia oxidului de carbon cu vapori de apă (T \u003d 500 ° C) pe catalizatorul FE203: CO + H20 \u003d CO 2 + H 2;
• descompunerea termică a metanului: CH4 \u003d C + 2H2;
• gazificare combustibili solizi (T \u003d 1000 ° C): C + H20 \u003d CO + H 2;
• electroliza apei (o metodă foarte costisitoare în care se obține hidrogen foarte pur): 2H2O → 2H2 + O2.

Metode de laborator de producere a hidrogenului:

• acțiuni asupra metalelor (mai des zinc) clorhidric sau diluat cu acid sulfuric: Zn + 2HCI \u003d zcl 2 + H2; Zn + H2S04 \u003d ZNSO 4 + H2;
• interacțiunea de vapori de apă cu așchii de fier fierbinte: 4H2O + 3FE \u003d FE 3O4 + 4H2.

Scopul publicării de astăzi este de a prezenta informații complete despre cititorul nepregătit ceea ce este hidrogenulCare este proprietățile sale fizice și chimice, domeniul de aplicare, valoarea și metodele de obținere.

Hidrogenul este prezent în majoritatea covârșitoare a substanțelor și celulelor organice în care reprezintă aproape două treimi din atomi.

Foto 1. Hidrogenul este considerat unul dintre cele mai frecvente elemente în natură

ÎN sistem periodic Elementele Mendeleev hidrogen ocupă o primă poziție onorabilă cu greutatea atomică egală cu una.

Numele "hidrogen" (în versiunea latină - Hidrogeniu.Este provenit din două cuvinte grecești antice: ὕδωρ - "" și γεννάω - "Dumnezeu" (literal - "referindu-se) și a fost sugerat pentru prima dată în 1824 de chimistul rus Mikhail Solovyov.

Hidrogenul este unul dintre elementele care formează apă (împreună cu oxigenul) (formula chimică a apei H20).

Conform proprietăților fizice, hidrogenul este caracterizat ca gaz incolor (aer mai ușor). Când amestecat cu oxigen sau aer este extrem de și combustibil.

Este capabil să se dizolvă în unele metale (titan, glandă, platină, paladiu, nichel) și în etanol, dar foarte slab solubil în argint.

Molecula de hidrogen constă din doi atomi și este notată de H2. Hidrogenul are mai mulți izotopi: dietă (H), deuteriu (d) și tritiu (t).

Istoria descoperirii hidrogenului

Chiar și în prima jumătate a secolului al XVI-lea, atunci când conduc experimente alchimice, amestecarea metalelor cu acizi, parallelles a observat gaze combustibile necunoscute, pe care nu le-a putut separa de aer.

După aproape o jumătate de secol - la sfârșitul secolului al XVII-lea - omul de știință francez Lemerie a reușit să separe hidrogenul (care nu știu încă că este hidrogen) din aer și să-și dovedească inflamabilitatea.

Fotografie 2. Henry Cavendish - Discoverer de hidrogen

Experimentele chimice în mijlocul secolului al XVIII-lea au permis Mihail Lomonosov să identifice procesul de separare a unui gaz ca rezultat al unor reacții chimice care nu sunt, totuși, Phlogiston.

O descoperire reală într-un studiu de gaze combustibile a fost reușită să facă chimistul englez Henry Cavendishu.care este atribuită descoperirii hidrogenului (1766).

Acest caval de gaz numit "aer inflamabil". De asemenea, a efectuat reacția de ardere a acestei substanțe, ca urmare a apucării apei.

În 1783, substanțele chimice franceze conduse de Antoine Lavoisier au fost efectuate de sinteza apei și mai târziu descompunerea apei cu alocarea "aerului de combustibil".

Aceste studii au demonstrat în cele din urmă prezența hidrogenului ca parte a apei. A fost Lavoisier care a sugerat că noul hidrogeniu de gaz (1801) a fost numit.

Proprietăți utile ale hidrogenului

Hidrogenul este mai ușor de aer până la paisprezece și jumătate.

De asemenea, distinge cea mai mare conductivitate termică printre alte gaze (alb decât șapte ori mai mare decât conductivitatea termică a aerului).

În fostele baloane și aeronavele au fost umplute cu hidrogen. După o serie de dezastre la mijlocul anilor 1930, care se termină cu explozii de aeronave, designerii trebuiau să caute hidrogen să înlocuiască.

Acum heliu este folosit pentru astfel de aeronave, care este mult mai scump decât hidrogenul, dar nu este atât de exploziv.

Fotografie 3. Hidrogenul este utilizat pentru fabricarea combustibilului cu rachete

În multe țări, cercetarea este în curs de desfășurare pentru a crea motoare economice pentru vehiculele de pasageri și încărcături pe bază de hidrogen.

Autovehiculele pe combustibilul hidrogen sunt mult mai ecologice din benzina lor și diesel.

În condiții normale (temperatura camerei și presiunea naturală), hidrogenul este reticent în reacție.

Când amestecul de hidrogen și oxigen este încălzit la 600 ° C, reacția începe să formeze formarea moleculelor de apă.

Aceeași reacție poate fi provocată de o scânteie electrică.

Reacțiile cu soarta hidrogenului sunt finalizate numai atunci când componentele care participă la reacție vor fi consumate în întregime.

Temperatura hidrogenului ars atinge 2500-2800 ° C.

Cu ajutorul hidrogenului, curățați diferitele tipuri de combustibil pe bază de ulei și produse petroliere.

În viața sălbatică a hidrogenului pentru a se înlocui cu nimic, așa cum este prezent în orice materie organică (inclusiv ulei) și în toți compușii proteinei.

Fără participarea hidrogenului, ar fi imposibil.

State agregate de hidrogen

Hidrogenul este capabil să respecte în trei stări agregate principale:

• gazos;
• lichid;
• solid.

Starea obișnuită a hidrogenului este gazul. Temperatura sa la -252,8 ° C, hidrogen se transformă într-un lichid și după pragul de temperatură -262 ° C, hidrogenul devine solid.

Foto 4. De acum câteva decenii în loc de un hidrogen mai ieftin pentru baloane de umplere sunt utilizate de dragul heliu.

Oamenii de știință sugerează că hidrogenul este capabil să se afle într-o stare agregată suplimentară (a patra) - metalică.

Pentru aceasta trebuie doar să creați o presiune de două milioane de atmosfere.

Până în prezent, din păcate, este doar o ipoteză științifică, deoarece nu a reușit încă să obțină "hidrogen metalic".

Hidrogen lichid - datorită temperaturii sale - când o persoană intră în contact, provoacă degerături severe.

Hidrogen în masa Mendeleev

Distribuția elementelor chimice în tabelul periodic din Mendeleeva se află greutatea lor atomică, calculată în raport cu greutatea atomică a hidrogenului.

Foto 5. În tabelul Mendeleev, o celulă cu număr de secvență este atribuită hidrogenului 1

Nimeni nu ar putea respinge această abordare de mai mulți ani și nici să confirme.

Odată cu apariția la începutul secolului al XX-lea și, în special, apariția postulatelor celebre ale lui Niels Bora, explicând structura unui atom din punctul de vedere al mecanicii cuantice, a reușit să dovedească justiția ipotezei lui Mendeleev.

Opusul este adevărat: este corespondența postulatelor lui Niels Bor o lege periodică, bazată pe masa Mendeleev și a devenit cel mai plăcut argument în favoarea recunoașterii adevărului lor.

Participarea la hidrogen la reacție termonucleară

Izotopii de hidrogen deuteriu și tritiu sunt sursele de energie incredibil de puternică eliberată în procesul de reacție termonucleară.

Fotografie 6. Explozia termonucleară fără hidrogen ar fi imposibilă

O astfel de reacție este posibilă la o temperatură care nu este mai mică de 1060 ° C și continuați foarte repede - în câteva secunde.

În soare, reacțiile termonucleare se îndreaptă încet.

Sarcina oamenilor de știință este de a înțelege de ce acest lucru se întâmplă să folosească cunoștințele dobândite pentru a crea noi - practic inepuizabil - surse de energie.

Ceea ce este hidrogen (video):

>

Hidrogenul are propriile nume: h - dieta (H), H - deuteriu (D) și H - tritiu (radioactiv) (t).

Simplu substanță hidrogen - H 2 - gaz incolor luminos. Într-un amestec cu aer sau oxigen, combustibil și exploziv. Non-toxic. Solubil în etanol și o serie de metale: glandă, nichel, paladiu, platină.

Istorie

Unii paraceali de știință medieval au observat că, sub acțiunea acizilor de fier, se disting bulele unui "aer". Dar ce este, nu putea explica. Acum se știe că era hidrogen. "Hidrogenul prezintă un exemplu de gaz", a scris di remeeev, - la prima vedere, nu diferit de aer ... paracee, care au descoperit că, sub acțiunea unor metale pe acidul sulfuric, substanța în formă de aer a fost obținută; nu și-a determinat diferențele de aer. Într-adevăr, hidrogenul este blunt și nu există miros, precum și aer; Dar, sub viitorul apropiat, cu proprietățile sale, acest gaz este complet diferit de aer. "

Chimienii englezi sunt de 18 ani., Henry Cavendish și Iosif sunt atrase, re-deschise hidrogen, a studiat prima dată proprietățile sale. Ei au descoperit că acesta este un gaz neobișnuit de lumină - este de 14 ori mai ușor decât aerul. Dacă îi umflați o minge de cauciuc, el scoate umflarea. Această proprietate a hidrogenului a fost utilizată mai devreme pentru a umple baloanele și aeronavele. Adevărat, primul balon construit de frații mongololici nu a fost umplut cu hidrogen și fum din lână și paie. O astfel de modalitate ciudată de a obține aer cald este asociată cu faptul că frații aparent nu erau familiarizați cu legile fizicii; Ei au crezut naiv că acest amestec formează "fumul electric" capabil să-și ridice mingea ușoară. Fizicianul Charles, care cunoștea legea lui Archimedes, a decis să umple mingea cu hidrogen; Spre deosebire de mongole, umplute cu aer cald, bilele cu hidrogen sunt numite Charles. Prima astfel de minge (el nu a transportat orice încărcătură) a crescut de la câmpurile Marsov din Paris pe 27 august 1783 și în 45 de minute a zburat 20 km.

În decembrie 1783, Charles, însoțită de Francois Robert Fizică în prezența a 400 de mii de spectatori, a fost luată primul zbor într-un balon umplut cu hidrogen. Gay Louuce (și cu fizicianul Jean Batist Bio) a pus în 1804 o înregistrare de înălțime, crescând cu 7000 de metri.

Dar hidrogenul este un combustibil. Mai mult decât atât, amestecurile sale cu aer explodează și un amestec de hidrogen cu oxigen se numește chiar "gaz de zgomot". În mai 1937, un incendiu pentru câteva minute a distrus aeronavele germane gigant "Hindenburg" - a avut 190.000 de metri cubi de hidrogen. Apoi au murit 35 de persoane. După multe accidente, hidrogenul în aeronautică nu mai este utilizat, acesta este înlocuit cu heliu sau aer cald.

Cu arderea hidrogenului, se formează apă - un compus de hidrogen și oxigen. Acest lucru sa dovedit la sfârșitul anului 18 chimist francez Lavoisier. Prin urmare, numele gazului - "apă de referință". Lavoisier a reușit, de asemenea, să obțină hidrogen din apă. El a pierdut vaporii de apă printr-un tub fierbinte de fier fierbinte cu rumeguș de fier. Oxigenul din apă este conectat ferm la hardware, iar hidrogenul a fost evidențiat în formă liberă. Acum, hidrogenul este obținut și din apă, dar într-un alt mod - cu ajutorul electrolizei (vezi disocierea electrolitică. Electroliți)

Proprietăți de hidrogen

Hidrogenul este cel mai comun element chimic din univers. Este de aproximativ jumătate din masa soarelui și cele mai multe vedete, este elementul principal din spațiul interstelar și în nebuloasa gazoasă. Hidrogen occidental și pe pământ. Aici se află în starea asociată - sub formă de conexiuni. Astfel, apa conține hidrogen 11% în greutate, argilă - 1,5%. În forma compușilor cu carbon, hidrogenul face parte din ulei, gaze naturale, toate organismele vii. Un mic hidrogen liber este conținut în aer, dar este complet mic acolo - doar 0,00005%. Intră în atmosfera de la vulcani.

Multe alte "înregistrări" aparține hidrogenului.
Hidrogen lichid - cel mai simplu lichid (densitate de 0,067 g / cm3 la o temperatură de -250 ° C),
Hidrogen solid - cel mai usor solid (Densitate de 0,076 g / cm3).
Atomii de hidrogen - Cel mai mic dintre toți atomii. Cu toate acestea, atunci când energia radiației electromagnetice este absorbită, electronul exterior al atomului poate fi îndepărtat în continuare din punct de vedere al nucleului. Prin urmare, un atom de hidrogen încântat teoretic poate avea orice dimensiune. Și practic? În carte, înregistrările globale în chimie spune că, în norii interstelară, se presupune că au fost detectate de atomii lor de hidrogen cu un diametru de 0,4 mm (sunt fixate pe tranziția spectrală de la 253 până la 252-a orbital). Atomii de astfel de dimensiuni pot fi văzute cu ochiul liber! Acesta oferă o referire la un articol publicat în 1991 în cel mai renumit jurnal dedicat educației chimice - Jurnalul de Educație Chimică (este publicat în SUA). Cu toate acestea, autorul articolului a fost greșit - a supraestimat toate dimensiunile de 100 de ori (acest lucru a fost anunțat de aceeași revistă pe an mai târziu). Astfel, atomii de hidrogen detectați au diametrul "doar" 0,004 mm, și astfel de atomi, chiar dacă au fost "solizi", pentru a vedea ochiul liber - numai în microscop. Bineînțeles, conform standardelor atomice și 0,004 mm - valoarea este uriașă, zeci de mii de ori diametrul unui atom de hidrogen neexplicat.

Moleculele de hidrogen sunt, de asemenea, foarte mici. Prin urmare, acest gaz trece cu ușurință prin cele mai subțiri lacune. Mingea de cauciuc, umflată de hidrogen, "pierderea în greutate" este mult mai rapidă decât mingea, influențată de aer: molecule de hidrogen treptat prin cele mai mici pori din cauciuc.

Dacă respirați hidrogenul și începeți să vorbiți, frecvența sunetelor publicate va fi de trei ori mai mare decât de obicei. Acest lucru este suficient pentru sunetul unei voce de sex masculin scăzut, care să fie nefiresc ridicat, asemănător cu vocea lui Pinocchio. Acest lucru se datorează faptului că înălțimea sunetului, publicată de un fluier, conductă de organe sau aparatul vocal al unei persoane, depinde nu numai de mărimea și materialul de perete, ci și de gazul la care sunt umplute. Cu cât este mai mare viteza sunetului în gaz, cu atât mai mare este tonul său. Viteza sunetului depinde de masa moleculelor de gaz. Moleculele de hirogen sunt mult mai ușor decât moleculele de azot și oxigen, dintre care se compune aerul, iar sunetul în hidrogen se întinde de aproape patru ori mai rapid decât în \u200b\u200baer. Cu toate acestea, inhalarea hidrogenului riscante: în plămâni, este inevitabil amestecată cu reziduuri de aer și formează un amestec de șobolan. Și dacă va fi un incendiu în expirația din apropiere ... asta sa întâmplat povestea chimistului francez, director al Muzeului de Știință din Paris Pilat de Rosier (1756-1785). Cumva a decis să verifice ce ar fi dacă inhalarea hidrogenului; Înainte de el, nimeni nu a condus un astfel de experiment. Fără a nu observa niciun efect, omul de știință a decis să se asigure dacă hidrogenul pătrunde în plămâni. El a inspirat din nou acest gaz, apoi la expirat pe focul lumânărilor, așteptând să vadă focarul de flacără. Cu toate acestea, hidrogenul în plămânii unui experimentator îndrăzneț a fost amestecat cu aer și a apărut o explozie puternică. "Am crezut că mi-am plăcut toți dinții cu rădăcini", a scris mai târziu, o experiență foarte mulțumită, care aproape că și-a costat viața.

Istoria primirii deuteriu și tritiu

Deuteriu.

În plus față de hidrogenul "obișnuit" (pasiune, din greacă protos. - Primul), în natură există și izotopul său greu - deuteriu. (Din Latin Deuteros - al doilea) și în cantități nesemnificative hidrogen super-tritiu. Căutarea lungă și dramatică a acestor izotopi nu a dat rezultatul datorită sensibilității insuficiente a instrumentelor. La sfârșitul anului 1931, un grup de fizicieni americani - Yuri cu studenții lor, F. Lubricvedda și J. Maerif, au luat 4 litri de hidrogen lichid și au supus-o cu distilare fracționată, primind doar 1 ml în restul, adică. Prin reducerea volumului de 4 mii de ori. Acest ultim mililitru de fluide după evaporare și a fost investigat printr-o metodă spectroscopică. Un spectroscopist experimental al ovarului observat pe spectrograma hidrogenului îmbogățit, linii noi foarte slabe, absente de la hidrogen obișnuit. În același timp, poziția liniilor din spectru a corespuns exact calculului mecanic cuantum al nuclidului 2H (vezi elementele chimice).

După detectarea spectroscopică a deuteriuului, sa propus separarea izotopilor de hidrogen prin electroliză. Experimentele au arătat că, cu electroliza apei, hidrogenul luminos este într-adevăr evidențiat mai repede decât greu. Această descoperire a fost cheia obținerii de hidrogen greu. Articolul în care a fost raportat deschiderea deuteriului a fost publicată în primăvara anului 1932, iar în luna iulie rezultatele au fost publicate pe separarea electrolitică a izotopilor. În 1934, pentru deschiderea hidrogenului greu, Harold Clayton Yuri a primit Premiul Nobel în Chimie.

Tritiu.

17 martie 1934 În Anglia, revista "Natura" ("Natura") a fost publicată o notă mică, semnată de M.L. Alifantt, P. Cark și Rutherford (ultimul nume, Rostford nu a solicitat inițialele în publicație!). În ciuda numelui modest al notei: efectul de transmutare obținut cu hidrogen sever, a raportat lumii despre rezultatul remarcabil - producția artificială a celui de-al treilea izotop de hidrogen - tritiu. În 1946, o autoritate cunoscută în domeniul fizicii nucleare, câștigătorul premiului Nobel, U. F. Libby a sugerat că tritiul este format continuu ca urmare a reacțiilor nucleare din atmosferă. Cu toate acestea, în natură, tritiumul este atât de puțin (1 atom 1H pe 1018 atomi 3H), pe care a fost posibil să îl detecteze numai pe radioactivitatea slabă (timpul de înjumătățire de 12 ani).

Hidrides.

Forme de hidrogen Conexiuni - hidruri cu multe elemente. În funcție de cel de-al doilea element, hidridele diferă foarte mult de proprietăți. Elementele cele mai electropozitive (metale alcaline și alcaline grele) formează așa-numitele hidruri saline de natură ionică. Acestea sunt obținute ca urmare a unei reacții metalice directe cu hidrogen sub presiune și la temperaturi ridicate (300-700 ° C) când metalul se află în starea topită. Limba lor cristalină conține cationi metalici și anioni de hidrură H- și construită în mod similar cu grila NaCl. Atunci când este încălzit la punctul de topire, hidridele saline încep să efectueze un curent electric, în timp ce, spre deosebire de electroliza soluțiilor apoase de săruri, hidrogenul nu este evidențiat pe catod, dar pe un anod încărcat pozitiv. Arborele hidridelor reacționează cu apă cu hidrogen este eliberată și formarea de soluții alcaline sunt ușor oxidate și oxigen și utilizate ca agenți de reducere puternici.

Un număr de elemente formează hidruri covalente, dintre care hidridele elementelor IV-VI sunt cele mai cunoscute, de exemplu, metanul CH4, amoniac NH3, hidrogen sulfurat H2S etc. Hidridele covalente au o reactivitate ridicată și sunt agenți reducători. Unele dintre aceste hidruri sunt mici și descompuse atunci când sunt încălzite sau hidrolizate cu apă. Un exemplu este SIH 4, Geh 4, SNH 4. Din punctul de vedere al structurii, hidridele borului sunt interesante, de exemplu, în 2 H6, în 6 H10, în 10 H 14, iar altele, în care perechea de electroni nu asociază două, ca obișnuit, și cei trei Atoms Inn. Covalent și unele hidruri mixte sunt, de asemenea, atribuite, de exemplu, Li-aluminiu Hydride LIALH 4, care a fost utilizat pe scară largă în chimie organica ca agent reducător. Hydrides Germania, Silicon, Arsenic sunt utilizate pentru a obține materiale semiconductoare de înaltă puritate.

Hidridele metalelor de tranziție sunt foarte diverse de proprietăți și structură. Adesea aceștia sunt compuși ai compoziției nonstociometrice, de exemplu, ca TiH 1,7, Lah 2.87 etc. În formarea unor astfel de hidruri, hidrogenul este mai întâi adsorbit de pe suprafața metalului, apoi disocierea la atomi, care difuzează injectarea zăbrească a metalelor cristaline, formând implementarea introducerii. Hendurile compușilor intermetalici sunt cel mai mare interes, de exemplu, conținând elemente de titan, nichel, rare-pământ. Numărul de atomi de hidrogen într-o unitate de volum de o astfel de hidrură poate fi de cinci ori mai mare decât chiar în hidrogen lichid pur! Deja la temperatura camerei, aliajele metalelor menționate sunt capabile să absoarbă rapid cantități semnificative de hidrogen și când este încălzit este să o evidențieze. Astfel se obțin astfel "baterii chimice" reversibile ale hidrogenului, care, în principiu, pot fi utilizate pentru a crea motoare care funcționează în combustibil hidrogen. Dintre celelalte hidruri ale metalelor de tranziție, hidrura de uraniu a 3 este interesantă, care servește ca o sursă de alți compuși de uraniu de înaltă puritate.

Aplicație

Hidrogenul este utilizat în principal pentru a obține amoniac, care este necesar pentru producerea de îngrășăminte și multe alte substanțe. Din uleiurile de legume lichide cu hidrogen, se obțin grăsimile solide, similare cu untul și alte grăsimi animale. Acestea sunt utilizate în industria alimentară. În producția de produse din sticlă cuarț, este necesară o temperatură foarte mare. Și aici se utilizează hidrogen: arzătorul cu o flacără de hidrogen-oxigen oferă o temperatură peste 2000 de grade la care cuarțul este ușor topit.

În laboratoarele și în industrie, reacția adăugării de hidrogen la diferite conexiuni este utilizată pe scară largă. Cele mai frecvente reacții de hidrogenare a legăturilor multiple de carbon sunt cele mai frecvente. Astfel, din acetilenă, este posibil să se obțină etilenă sau (cu hidrogenare completă), de la benzen-ciclohexan, din acid oleic instabil lichid - acid stearic limitat, etc. Alte clase de compuși organici sunt supuși la hidrogenare, în timp ce se recuperează. Astfel, atunci când se formează compuși carbonil de hidrogenizare (aldehide, cetone, esteri), sunt formați alcooli adecvați; De exemplu, se obține un alcool izopropilic din acetonă. Când se formează hidrogenarea de azoturi, aminele adecvate.

Hidrogenarea cu hidrogen molecular este adesea efectuată în prezența catalizatoarelor. În industrie, de regulă, utilizați catalizatori eterogeni, la care metalele grupului VIII din sistemul periodic de elemente - nichel, platină, rodiu, paladiu. Cel mai activ din acești catalizatori - Platinum; Cu aceasta, poate fi hidrogenată la temperatura camerei fără presiune chiar și compușii aromatici. Activitatea catalizatorilor mai ieftini poate fi mărită prin efectuarea unei reacții de hidrogenare sub presiune la temperaturi ridicate la dispozitive speciale - autoclave. Astfel, pentru hidrogenarea compușilor aromatici, presiunea este necesară până la 200 atm și temperatura de peste 150 ° C.

În practica de laborator, sunt utilizate și diverse metode de hidrogenare noncatalitică. Una dintre ele este acțiunea hidrogenului la momentul izolării. Un astfel de "hidrogen activ" poate fi obținut în reacția de sodiu metalic cu alcool sau amalgamat zinc cu acid clorhidric. Propagarea semnificativă în sinteza organică a fost hidrogenată prin hidruri complexe - borohidrură de sodiu de sodiu NABH 4 și litiu alumohidrură LIALH 4. Reacția se efectuează în medii anhidre, deoarece hidrurile complexe sunt instantaneu hidrolizate.

Hidrogenul este utilizat în multe laboratoare chimice. Este stocată sub presiune în cilindrii de oțel, care, pentru siguranță, cu ajutorul clemelor speciale sunt atașate la perete sau chiar îndure în curte, iar gazul intră în laborator printr-un tub subțire.

Elemente și materiale chimice

Hidrogen, n (hidrogenium; a. Hidrogen; N. Hidrogen; și. Hidrogeno); - elementul chimic al sistemului periodic al elementelor Mendeleev, care este atribuit simultan grupurilor I și VII, numărul atomic 1 , Greutatea atomică 1, 0079. Hidrogenul natural are izotopi stabili - dietă (1H), deuteriu (2 H sau d) și radioactive-tritiu (3 N sau T). Pentru compușii naturali, raportul mediu D / H \u003d (158 ± 2) .10 -6 este un conținut de echilibru de 3 ore pe pământ ~ 5,10 27 atomi.

Proprietățile fizice ale hidrogenului

Hidrogenul descris mai întâi în 1766 om de știință engleză. Cavendish. În condiții normale, hidrogen - gaz fără culoare, miros și gust. În natură într-o stare liberă este sub formă de molecule H 2. Energia de disociere a moleculei H2 este de 4,776 EV; Potențialul de ionizare a atomului de hidrogen 13.595 EV. Hidrogenul este cea mai ușoară substanță din toate cele cunoscute la 0 ° C și 0,1 MPa 0,0899 kg / m3; T boining - 252,6 ° C, t topire - 259,1 ° C; Parametri critici: T - 240 ° C, presiune 1,28 MPa, densitate 31,2 kg / m 3. Conductivitatea termică a tuturor gazelor este de 0,174 W / (MK) la 0 ° C și 1 MPa, căldura specifică 14,208,10 3 J (kg.k).

Proprietățile chimice ale hidrogenului

Hidrogenul lichid este foarte plămân (densitate la -253 ° C 70,8 kg / m 3) și predare (la -253 ° C este de 13,8 SP). În majoritatea compușilor, hidrogenul indică gradul de oxidare +1 (similar cu metalele alcaline), mai puțin de des --1 (similar cu hidridele metalelor). În condiții normale, hidrogenul molecular este scăzut; solubilitatea apei la 20 ° C și 1 MPa 0,0182 ml / g; Este bine solubil în metale - Ni, PT, PD și altele cu oxigen formează apă cu eliberare de căldură de 143,3 mJ / kg (la 25 ° C și 0,1 MPa); La 550 ° C și deasupra reacției este însoțită de o explozie. Atunci când interacționează cu fluor și clor, reacția merge, de asemenea, cu o explozie. Compuși principali de hidrogen: H20, amoniac NH3, hidrogen sulfurat H2S, CH4, hidruri de metale și halogens cah 2, HBr, HL și compuși organici cu 2 H 4, HCHO, CH3OH, etc.

Hidrogen în natură

Hidrogenul este un element larg răspândit în natură, conținutul său în 1% (în greutate). Rezervorul principal de hidrogen pe pământ este apa (11,19%, în greutate). Hidrogenul este unul dintre componentele principale ale tuturor compușilor organici naturali. În statul liber este prezent în gaze vulcanice și alte gaze naturale, în (0,0001%, conform atomilor). Este partea principală a masei soarelui, a stelelor, a gazelor inter-depozitare, a nebulei de gaze. În atmosfere, planetele sunt prezente în forma H2, CH4, NH3, H20, CH, NHOH și alții. Este inclusă în compoziția radiației corpusculare a soarelui (protoni) și a razelor cosmice (Fluxuri de electroni).

Obținerea și utilizarea hidrogenului

Materii prime pentru producerea de hidrogen industrial - Gaze de rafinare gaz, Produse de gazificare etc. Metode de bază pentru producerea de hidrogen: Reacție la hidrocarburi cu vapori de apă, oxidare incompletă a hidrocarburilor, conversia oxidului, electroliza apei. Hidrogenul este utilizat pentru producerea de amoniac, alcooli, benzină sintetică, acid clorhidric, hidrotranarea produselor petroliere, tăierea metalelor prin flacără de hidrogen-oxigen.

Hidrogenul este un combustibil gazos în perspectivă. Deuteriu și tritiu găsite utilizarea în energia nucleară.

În sistemul periodic, hidrogenul este situat în două absolut opuse în proprietățile lor de grupuri de elemente. Această caracteristică o face complet unică. Hidrogenul nu este pur și simplu un element sau o substanță, dar este, de asemenea, o parte integrantă a multor compuși complexi, elemente organogene și biogene. Prin urmare, considerăm proprietățile și caracteristicile sale în detaliu.

Separarea gazului de combustibil în procesul de interacțiune între metale și acizi a fost observată în secolul al XVI-lea, adică în timpul formării chimiei ca știință. Celebrul om de știință englez Henry Cavendish a explorat substanța din 1766 și ia dat numele "aer combustibil". Când arde, acest gaz a dat apă. Din păcate, angajamentul teoriei de știință a lui Fhlogiston (hipoton "ipotetic" a materiei ") a împiedicat să ajungă la concluziile corecte.

Chimistul francez și naturalistul A. Lavoisier, împreună cu inginerul J. Mai mult și cu ajutorul gazometrelor speciale în 1783, au efectuat o sinteză a apei, iar după și analiza sa prin descompunerea fierului fierbinte de vapori de apă. Astfel, oamenii de știință au reușit să ajungă la concluziile corecte. Ei au descoperit că "aerul combustibil" nu este doar o parte a apei, ci poate fi obținută și din ea.

În 1787, Lavoisier a prezentat presupunerea că gazul studiat este substanță simplă Și, în consecință, se referă la numărul de elemente chimice primare. El ia numit hidrogenă (de la cuvintele grecești de hidraor - apă + Gennao - Dumnezeu), adică "apă de coardă".

Numele rus "Hidrogen" din 1824 a propus un chimist M. Solovyov. Determinarea compoziției apei a marcat sfârșitul "teoriei bigistonului". La intersecția dintre secolele XVIII și XIX se constată că atomul de hidrogen este foarte ușor (comparativ cu atomii de alte elemente) și masa sa a fost adoptată pentru o unitate principală de comparație a maselor atomice, obținând o valoare egală cu 1.

Proprietăți fizice

Hidrogenul este cel mai simplu dintre toate științele cunoscute de substanțe (este de 14,4 ori mai ușoară decât aerul), densitatea sa este de 0,0899 g / l (1 atm, 0 ° C). Acest material se topește (se ridică) și se fierbe (lichefiat), respectiv la -259,1 ° C și -252,8 ° C (numai heliul are o fierbere mai mică și topirea T °).

Temperatura critică a hidrogenului este extrem de scăzută (-240 ° C). Din acest motiv, lichefierea sa este un proces destul de complicat și de cost. Presiunea critică a substanței este de 12,8 kgf / cm², iar densitatea critică este de 0,0312 g / cm3. Printre toate gazele, hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică: la 1 atm și 0 ° C, este egal cu 0,174 W / (MHC).

Capacitatea de căldură specifică a substanței în aceleași condiții - 14,208 kJ / (CGKK) sau 3,394 CAL / (GC ° C). Acest element este slab solubil în apă (aproximativ 0,0182 ml / g la 1 atm și 20 ° C), dar bine - în majoritatea metalelor (Ni, PT, PA și altele), în special în paladiu (aproximativ 850 de volume pe un PD).

Cu cea mai recentă proprietate, capacitatea sa de difuzie este asociată, în timp ce difuzia printr-un aliaj de carbon (de exemplu, oțel) poate fi însoțită de distrugerea aliajului datorită interacțiunii de hidrogen cu carbon (acest proces se numește decarbonizare). Într-o stare lichidă, substanța este foarte ușoară (densitate - 0,0708 g / cm³ la t ° \u003d -253 ° C) și fluid (vâscozitate - 13,8 Solseză în aceleași condiții).

În mulți compuși, acest element prezintă valență +1 (grad de oxidare), cum ar fi sodiu și alte metale alcaline. De obicei, este considerat analog al acestor metale. În consecință, el conduce grupul I al sistemului Mendeleev. În hidridele metalelor, ionul de hidrogen prezintă o încărcare negativă (gradul de oxidare în același timp - 1), adică Na + H- are o structură similară cu Na + clizul. În conformitate cu acest lucru și cu alte fapte (apropierea proprietăților fizice ale elementului "H" și halogen, capacitatea de ao înlocui cu halogeni în compușii organici) hidrogenă aparține grupului VII al sistemului Mendeleev.

În condiții normale, hidrogenul molecular are o activitate scăzută, conectarea directă numai cu cele mai active non-metale (cu fluor și clor, cu acesta din urmă). La rândul său, atunci când este încălzit, interacționează cu multe elemente chimice.

Hidrogenul atomic a crescut activitatea chimică (în comparație cu molecululară). Cu oxigen, formează apă cu formula:

N₂ + ½₂ \u003d N₂o,

evidențiarea căldurii 285.937 kJ / mol sau 68.3174 kcal / mol (25 ° C, 1 atm). În condiții de temperatură convențională, reacția se realizează destul de încet și la T °\u003e \u003d 550 ° C - incontrolabil. Limitele de explozie ale amestecului de hidrogen + oxigen în volum sunt 4-94% H₂ și amestecurile de hidrogen + aer - 4-74% H₂ (un amestec de două volume de H₂ și un volum de O₂ se numește gaz de șobolan.

Acest element este utilizat pentru a restabili majoritatea metalelor, deoarece este nevoie de oxigen de oxizi:

Fe₃o₄ + 4H₂ \u003d 3FE + 4N₂O,

Cuo + H₂ \u003d cu + H₂o, etc.

Cu halogeni diferiți, hidrogen formează sunuri de hidrogen halogen, de exemplu:

N₂ + CL₂ \u003d 2NSL.

Cu toate acestea, atunci când reacțiile cu fluor, hidrogenul explodează (acest lucru se întâmplă în întuneric, la -252 ° C), cu brom și clor reacționează numai atunci când sunt încălzite sau iluminare și cu iod - exclusiv atunci când sunt încălzite. Atunci când interacționează cu azot, se formează amoniac, dar numai pe catalizator, la presiuni și temperaturi ridicate:

Zn₂ + n₂ \u003d 2nn₃.

Atunci când este încălzit, hidrogenul reacționează activ cu sulful:

N₂ + S \u003d H₂s (hidrogen sulfurat)

Și este mult mai dificil - cu telurium sau seleniu. Cu carbon pur, hidrogen reacționează fără catalizator, dar la temperaturi ridicate:

2N₂ + C (amorf) \u003d CH₄ (metan).

Această substanță reacționează direct cu unele dintre metalele (alcalin, pământ alcalin și altele), formând hidriluri, de exemplu:

H₂ + 2LI \u003d 2LIH.

Importanța practică evaluabilă are interacțiunile hidrogenului și a oxidului de carbon (II). În acest caz, în funcție de presiune, temperatură și catalizator, se formează diferite compuși organici: NSNO, CN₃on etc. Hidrocarburile nesaturate în procesul de reacție se deplasează în mod saturat, de exemplu:

Cu n ₂ n + h₂ \u003d c n ₂ n ₊₂.

Hidrogenul și compușii săi joacă un rol excepțional în chimie. Determină proprietățile acide ale T. N. Acizii prototrici sunt înclinați să formeze o legătură de hidrogen cu diferite elemente care au un impact semnificativ asupra proprietăților multor compuși anorganici și organici.

Obținerea de hidrogen

Principalele tipuri de materii prime pentru producția industrială a acestui element sunt gaze de rafinare, gaze naturale combustibile și de cocs. De asemenea, este obținut din apă prin electroliză (în locuri cu energie electrică la prețuri accesibile). Una dintre cele mai importante metode de producere a materialului natural este interacțiunea catalitică a hidrocarburilor, în principal metan, cu vapori de apă (t.n. conversia). De exemplu:

CH₄ + H₂O \u003d CO + ZN₂.

Oxidarea incompletă a hidrocarburilor cu oxigen:

Ch₄ + ½o₂ \u003d CO + 2N₂.

Sintetizat oxid de carbon (II) Conversie:

CO + N₂O \u003d SO + H₂.

Hidrogenul produs din gazele naturale este cel mai ieftin.

Pentru electroliza apei, se utilizează un curent constant, care este trecut printr-o soluție de NaOH sau con (acizii nu sunt utilizați pentru a evita coroziunea instrumentelor). În laborator, materialul este obținut prin electroliza apei sau ca rezultat al reacției dintre acidul clorhidric și zincul. Cu toate acestea, utilizează mai des material din fabrică gata de fabricație în cilindri.

Din gazul de rafinare a uleiului și de gaz de cocs, acest element este izolat prin îndepărtarea tuturor celorlalte componente ale amestecului de gaz, deoarece acestea sunt mai ușor de lichefiat cu răcire profundă.

Industrial, acest material a început să primească chiar și la sfârșitul secolului al XVIII-lea. Apoi a fost folosit pentru a umple baloanele. În prezent, hidrogenul este utilizat pe scară largă în industrie, în principal în substanța chimică, pentru producția de amoniac.

Consumatorii de masă ai substanței sunt producătorii de metil și alți alcooli, benzină sintetică și multe alte produse. Acestea sunt obținute prin sinteza oxidului de carbon (II) și hidrogen. Hidrogena este utilizată pentru hidrogenizarea combustibililor lichizi grei și solizi, a grăsimilor etc., pentru sinteza HCI, hidrotratarea produselor petroliere, precum și la tăierea / sudarea metalelor. Cele mai importante elemente pentru energia nucleară sunt izotopii săi - tritiu și deuteriu.

Rolul biologic al hidrogenului

Aproximativ 10% din masa de organisme vii (în medie) cade pe acest element. Face parte din apa și grupurile esențiale de compuși naturali, inclusiv proteine, acizi nucleici, lipide, carbohidrați. De ce serveste?

Acest material joacă un rol decisiv: la menținerea structurii spațiale a proteinelor (cuaternare), în implementarea principiului complimentar al acidului nucleic (adică, în implementarea și stocarea informațiilor genetice), în general, în "recunoașterea" la moleculară nivel.

Hidrogenul Ion H + participă la reacții / procese dinamice importante în organism. Inclusiv: în oxidarea biologică, care oferă celule vii pe energie, în reacții de biosinteză, în fotosinteză în plante, în fotosinteza bacteriană și azotarea, în menținerea echilibrului acid-alcalin și homeostazia, în procesele de transport ale membranei. Împreună cu carbonul și oxigenul, acesta formează o bază funcțională și structurală a fenomenelor de viață.