Sifat fizikal hidrogen. Sifat dan aplikasi hidrogen. Hidrogen, sifat khas dan tindak balasnya

Ia mempunyai kedudukan khususnya sendiri dalam jadual berkala, yang mencerminkan sifat yang dipamerkannya dan bercakap tentang struktur elektroniknya. Walau bagaimanapun, di antara kesemuanya terdapat satu atom khas yang menduduki dua sel sekaligus. Ia terletak dalam dua kumpulan unsur yang sama sekali bertentangan dalam sifatnya. Ini adalah hidrogen. Ciri sedemikian menjadikannya unik.

Hidrogen bukan sekadar unsur, tetapi juga bahan mudah, dan juga merupakan sebahagian daripada banyak perkara sebatian kompleks, unsur biogenik dan organogenik. Oleh itu, mari kita pertimbangkan ciri dan sifatnya dengan lebih terperinci.

Hidrogen sebagai unsur kimia

Hidrogen ialah unsur kumpulan pertama subkumpulan utama, serta kumpulan ketujuh subkumpulan utama dalam tempoh kecil pertama. Tempoh ini hanya terdiri daripada dua atom: helium dan unsur yang sedang kita pertimbangkan. Mari kita terangkan ciri-ciri utama kedudukan hidrogen dalam jadual berkala.

1. Nombor atom hidrogen ialah 1, bilangan elektron adalah sama, dan, oleh itu, bilangan proton adalah sama. Jisim atom - 1.00795. Terdapat tiga isotop unsur ini dengan nombor jisim 1, 2, 3. Walau bagaimanapun, sifat setiap daripadanya sangat berbeza, kerana peningkatan jisim walaupun satu untuk hidrogen serta-merta dua kali ganda.
2. Hakikat bahawa ia mengandungi hanya satu elektron pada permukaan luarnya membolehkan ia berjaya mempamerkan kedua-dua sifat pengoksidaan dan pengurangan. Di samping itu, selepas menderma elektron, ia kekal dengan orbital bebas, yang mengambil bahagian dalam pembentukan ikatan kimia mengikut mekanisme penderma-penerima.
3. Hidrogen adalah agen penurunan yang kuat. Oleh itu, tempat utamanya dianggap sebagai kumpulan pertama subkumpulan utama, di mana ia mengetuai logam paling aktif - alkali.
4. Walau bagaimanapun, apabila berinteraksi dengan agen penurunan yang kuat, seperti logam, ia juga boleh menjadi agen pengoksidaan, menerima elektron. Sebatian ini dipanggil hidrida. Menurut ciri ini, ia mengetuai subkumpulan halogen yang serupa dengannya.
5. Oleh kerana jisim atomnya yang sangat kecil, hidrogen dianggap paling banyak unsur cahaya. Di samping itu, ketumpatannya juga sangat rendah, jadi ia juga merupakan penanda aras untuk ringan.

Oleh itu, adalah jelas bahawa atom hidrogen adalah unsur yang benar-benar unik, tidak seperti semua unsur lain. Akibatnya, sifatnya juga istimewa, dan bahan mudah dan kompleks yang terbentuk adalah sangat penting. Mari kita pertimbangkan mereka lebih lanjut.

Bahan mudah

Jika kita bercakap tentang unsur ini sebagai molekul, maka kita mesti mengatakan bahawa ia adalah diatomik. Iaitu, hidrogen (bahan mudah) ialah gas. Formula empirikalnya akan ditulis sebagai H2, dan formula grafiknya akan ditulis melalui hubungan H-H sigma tunggal. Mekanisme pembentukan ikatan antara atom adalah nonpolar kovalen.

1. Pembaharuan metana wap.
2. Pengegasan arang batu - proses melibatkan pemanasan arang batu hingga 1000 0 C, menghasilkan pembentukan arang batu hidrogen dan karbon tinggi.
3. Elektrolisis. Kaedah ini hanya boleh digunakan untuk larutan akueus pelbagai garam, kerana pencairan tidak membawa kepada pelepasan air di katod.

Kaedah makmal untuk menghasilkan hidrogen:

1. Hidrolisis hidrida logam.
2. Kesan asid cair pada logam aktif dan aktiviti sederhana.
3. Interaksi logam alkali dan alkali tanah dengan air.

Untuk mengumpul hidrogen yang dihasilkan, anda mesti memegang tabung uji terbalik. Lagipun, gas ini tidak boleh dikumpulkan dengan cara yang sama seperti, sebagai contoh, karbon dioksida. Ini adalah hidrogen, ia lebih ringan daripada udara. Ia menyejat dengan cepat, dan dalam kuantiti yang banyak ia meletup apabila bercampur dengan udara. Oleh itu, tabung uji hendaklah diterbalikkan. Selepas mengisi, ia mesti ditutup dengan penyumbat getah.

Untuk memeriksa ketulenan hidrogen yang dikumpul, anda harus membawa padanan yang menyala ke leher. Jika tepuk tangan membosankan dan senyap, ini bermakna gas bersih, dengan kekotoran udara yang minimum. Jika ia kuat dan bersiul, ia adalah kotor, dengan sebahagian besar komponen asing.

Kawasan kegunaan

Apabila hidrogen dibakar, begitu banyak yang dibebaskan sejumlah besar tenaga (haba), bahawa gas ini dianggap sebagai bahan api yang paling menguntungkan. Lebih-lebih lagi, ia mesra alam. Walau bagaimanapun, sehingga kini penggunaannya di kawasan ini adalah terhad. Ini disebabkan masalah sintesis yang belum difikirkan sepenuhnya dan belum diselesaikan. hidrogen tulen, yang akan sesuai untuk digunakan sebagai bahan api dalam reaktor, enjin dan peranti mudah alih, serta dandang pemanasan bangunan kediaman.

Lagipun, kaedah untuk menghasilkan gas ini agak mahal, jadi pertama sekali adalah perlu untuk membangunkan kaedah sintesis khas. Satu yang akan membolehkan anda mendapatkan produk dalam jumlah yang besar dan pada kos yang minimum.

Terdapat beberapa kawasan utama di mana gas yang sedang kita pertimbangkan digunakan.

1. Sintesis kimia. Penghidrogenan digunakan untuk menghasilkan sabun, marjerin, dan plastik. Dengan penyertaan hidrogen, metanol dan ammonia, serta sebatian lain, disintesis.
2. Dalam industri makanan - sebagai bahan tambahan E949.
3. Industri penerbangan (sains roket, pembuatan pesawat).
4. Industri kuasa elektrik.
5. Meteorologi.
6. Bahan api mesra alam.

Jelas sekali, hidrogen adalah sama pentingnya dengan ia banyak di alam semula jadi. Lagi peranan besar dimainkan oleh pelbagai sebatian yang terbentuk.

Sebatian hidrogen

Ini adalah bahan kompleks yang mengandungi atom hidrogen. Terdapat beberapa jenis utama bahan tersebut.

1. Hidrogen halida. Formula amnya ialah HHal. Yang paling penting di antara mereka ialah hidrogen klorida. Ia adalah gas yang larut dalam air untuk membentuk larutan asid hidroklorik. Asid ini mendapati aplikasi yang luas dalam hampir semua sintesis kimia. Lebih-lebih lagi, kedua-dua organik dan bukan organik. Hidrogen klorida adalah sebatian dengan formula empirik HCL dan merupakan antara yang terbesar dihasilkan di negara kita setiap tahun. Hidrogen halida juga termasuk hidrogen iodida, hidrogen fluorida dan hidrogen bromida. Kesemuanya membentuk asid yang sepadan.
2. Meruap Hampir kesemuanya adalah gas yang agak beracun. Contohnya, hidrogen sulfida, metana, silane, fosfin dan lain-lain. Pada masa yang sama, mereka sangat mudah terbakar.
3. Hidrida ialah sebatian dengan logam. Mereka tergolong dalam kelas garam.
4. Hidroksida: bes, asid dan sebatian amfoterik. Mereka semestinya mengandungi atom hidrogen, satu atau lebih. Contoh: NaOH, K 2, H 2 SO 4 dan lain-lain.
5. Hidrogen hidroksida. Sebatian ini lebih dikenali sebagai air. Nama lain ialah hidrogen oksida. Formula empirikal kelihatan seperti ini - H 2 O.
6. Hidrogen peroksida. Ini adalah agen pengoksidaan yang kuat, formulanya ialah H 2 O 2.
7. Banyak sebatian organik: hidrokarbon, protein, lemak, lipid, vitamin, hormon, minyak pati dan lain lain.

Jelas sekali bahawa kepelbagaian sebatian unsur yang sedang kita pertimbangkan adalah sangat besar. Ini sekali lagi mengesahkannya nilai tinggi untuk alam dan manusia, serta untuk semua makhluk hidup.

- ini adalah pelarut terbaik

Seperti yang dinyatakan di atas, nama biasa untuk bahan ini ialah air. Terdiri daripada dua atom hidrogen dan satu oksigen, disambungkan oleh ikatan polar kovalen. Molekul air adalah dipol, ini menerangkan banyak sifat yang dipamerkan. Khususnya, ia adalah pelarut universal.

Dalam persekitaran akuatik hampir semua proses kimia berlaku. Tindak balas dalaman plastik dan metabolisme tenaga dalam organisma hidup juga dijalankan menggunakan hidrogen oksida.

Air dianggap sebagai bahan yang paling penting di planet ini. Adalah diketahui bahawa tiada organisma hidup boleh hidup tanpanya. Di Bumi ia boleh wujud dalam tiga keadaan pengagregatan:

• cecair;
• gas (wap);
• pepejal (ais).

Bergantung kepada isotop hidrogen yang termasuk dalam molekul, tiga jenis air dibezakan.

1. Cahaya atau protium. Isotop dengan nombor jisim 1. Formula - H 2 O. Ini adalah bentuk biasa yang digunakan oleh semua organisma.
2. Deuterium atau berat, formulanya ialah D 2 O. Mengandungi isotop 2 H.
3. Sangat berat atau tritium. Formulanya kelihatan seperti T 3 O, isotop - 3 H.

Rizab air protium segar di planet ini sangat penting. Sudah terdapat kekurangan di banyak negara. Kaedah sedang dibangunkan untuk merawat air masin untuk menghasilkan air minuman.

Hidrogen peroksida adalah ubat universal

Kompaun ini, seperti yang dinyatakan di atas, adalah agen pengoksidaan yang sangat baik. Walau bagaimanapun, dengan wakil yang kuat dia juga boleh bertindak sebagai pemulih. Di samping itu, ia mempunyai kesan bakteria yang ketara.

Nama lain untuk sebatian ini ialah peroksida. Ia adalah dalam bentuk ini bahawa ia digunakan dalam perubatan. Larutan 3% hidrat kristal bagi sebatian yang dimaksudkan ialah perubatan perubatan, yang digunakan untuk merawat luka kecil untuk tujuan membasmi kuman. Walau bagaimanapun, telah terbukti bahawa ini meningkatkan masa penyembuhan luka.

Hidrogen peroksida juga digunakan dalam bahan api roket, dalam industri untuk pembasmian kuman dan pelunturan, dan sebagai agen berbuih untuk penghasilan bahan yang sesuai (buih, contohnya). Selain itu, peroksida membantu membersihkan akuarium, melunturkan rambut dan memutihkan gigi. Walau bagaimanapun, ia menyebabkan kemudaratan kepada tisu, jadi ia tidak disyorkan oleh pakar untuk tujuan ini.

Kuliah 29

Hidrogen. air

Rangka kuliah:

air. Kimia dan ciri-ciri fizikal

Peranan hidrogen dan air dalam alam semula jadi

Hidrogen sebagai unsur kimia

Hidrogen adalah satu-satunya unsur jadual berkala D.I. Mendeleev, yang lokasinya tidak jelas. Simbol kimianya ditulis dua kali dalam jadual berkala: kedua-duanya dalam kumpulan IA dan VIIA. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa hidrogen mempunyai beberapa sifat yang menyatukannya dengan kedua-duanya logam alkali, dan dengan halogen (Jadual 14).

Jadual 14

Perbandingan sifat hidrogen dengan sifat logam alkali dan halogen

Persamaan dengan logam alkali	Persamaan dengan halogen
Di luar tahap tenaga Atom hidrogen mengandungi satu elektron. Hidrogen ialah unsur s	Sebelum selesai tahap luar dan satu-satunya, atom hidrogen, seperti atom halogen, kekurangan satu elektron
Hidrogen mempamerkan sifat mengurangkan. Hasil daripada pengoksidaan, hidrogen menerima keadaan pengoksidaan yang paling kerap ditemui dalam sebatiannya +1	Hidrogen, seperti halogen, dalam sebatian dengan logam alkali dan alkali tanah mempunyai keadaan pengoksidaan -1, yang mengesahkan sifat pengoksidaannya.
Diandaikan bahawa hidrogen pepejal dengan kekisi kristal logam wujud di angkasa.	Seperti fluorin dan klorin, hidrogen adalah gas dalam keadaan normal. Molekulnya, seperti molekul halogen, adalah diatomik dan terbentuk melalui ikatan nonpolar kovalen

Secara semula jadi, hidrogen wujud dalam bentuk tiga isotop dengan nombor jisim 1, 2 dan 3: protium 1 1 H, deuterium 2 1 D dan tritium 3 1 T. Dua yang pertama adalah isotop stabil, dan yang ketiga adalah radioaktif. DALAM campuran semula jadi Protium ialah isotop utama. Nisbah kuantitatif antara isotop H: D: T ialah 1: 1.46 10 -5: 4.00 10 -15.

Sebatian isotop hidrogen berbeza dalam sifat antara satu sama lain. Sebagai contoh, takat didih dan takat beku air protium ringan (H 2 O) masing-masing sama dengan – 100 o C dan 0 o C, dan air deuterium (D 2 O) – 101.4 o C dan 3.8 o C. Kadar tindak balas yang melibatkan air ringan lebih tinggi daripada air berat.

Di Alam Semesta, hidrogen adalah unsur yang paling biasa - ia menyumbang kira-kira 75% daripada jisim Alam Semesta atau lebih daripada 90% daripada semua atomnya. Hidrogen adalah sebahagian daripada air dalam cangkang geologi Bumi yang paling penting - hidrosfera.

Hidrogen membentuk, bersama-sama dengan karbon, semua bahan organik, iaitu, ia adalah sebahagian daripada cangkang hidup Bumi - biosfera. Dalam kerak bumi - litosfera - kandungan jisim hidrogen hanya 0.88%, iaitu ia berada di kedudukan ke-9 di antara semua unsur. Sampul udara Atmosfera bumi mengandungi kurang daripada satu juta daripada jumlah isipadu yang boleh dikaitkan dengan hidrogen molekul. Ia hanya terdapat dalam lapisan atas suasana.

Pengeluaran dan penggunaan hidrogen

Hidrogen pertama kali diperoleh pada abad ke-16 oleh pakar perubatan zaman pertengahan dan ahli alkimia Paracelsus, dengan merendam plat besi dalam asid sulfurik, dan pada tahun 1766, ahli kimia Inggeris Henry Cavendish membuktikan bahawa hidrogen dihasilkan bukan sahaja melalui interaksi besi dengan asid sulfurik, tetapi juga logam lain dengan asid lain. Cavendish juga menerangkan buat kali pertama sifat hidrogen.

DALAM makmal keadaan, hidrogen diperolehi:

1. Interaksi logam dengan asid:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. Interaksi logam alkali dan alkali tanah dengan air

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

DALAM industri Hidrogen diperoleh dengan cara berikut:

1. Elektrolisis larutan akueus garam, asid dan alkali. Penyelesaian yang paling biasa digunakan garam meja:

2NaCl + 2H 2 O →el. semasa H 2 + Cl 2 + NaOH

2. Pengurangan wap air dengan kok panas:

C + H 2 O → t CO + H 2

Campuran karbon monoksida dan hidrogen yang terhasil dipanggil gas air (gas sintesis), dan digunakan secara meluas untuk sintesis pelbagai produk kimia (ammonia, metanol, dll.). Untuk memisahkan hidrogen daripada gas air karbon monoksida ditukar kepada karbon dioksida apabila dipanaskan dengan wap air:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Pemanasan metana dengan kehadiran wap air dan oksigen. Kaedah ini pada masa ini adalah yang utama:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Hidrogen digunakan secara meluas untuk:

1. sintesis industri ammonia dan hidrogen klorida;

2. mendapatkan metanol dan sintetik bahan api cecair sebagai sebahagian daripada gas sintesis (2 isipadu hidrogen dan 1 isipadu CO);

3. hydrotreating dan hydrocracking pecahan minyak;

4. penghidrogenan lemak cecair;

5. memotong dan mengimpal logam;

6. mendapatkan tungsten, molibdenum dan renium daripada oksidanya;

7. enjin angkasa sebagai bahan api.

8. dalam reaktor termonuklear Isotop hidrogen digunakan sebagai bahan api.

Fizikal dan Sifat kimia hidrogen

Hidrogen ialah gas yang tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau. Ketumpatan di no. 0.09 g/l (14 kali lebih ringan daripada udara). Hidrogen tidak larut dalam air (hanya 2 isipadu gas setiap 100 isipadu air), tetapi diserap dengan baik oleh d-logam - nikel, platinum, paladium (sehingga 900 isipadu hidrogen terlarut dalam satu isipadu paladium).

DALAM tindak balas kimia Hidrogen mempamerkan kedua-dua sifat pengurangan dan pengoksidaan. Selalunya, hidrogen bertindak sebagai agen pengurangan.

1. Interaksi dengan bukan logam. Hidrogen membentuk sebatian hidrogen meruap dengan bukan logam (lihat Kuliah 25).

Dengan halogen kadar tindak balas dan keadaan berbeza dari fluorin kepada iodin: dengan fluorin, hidrogen bertindak balas secara meletup walaupun dalam gelap, dengan klorin tindak balas berjalan agak tenang dengan sedikit penyinaran dengan cahaya, dengan bromin dan iodin tindak balas boleh diterbalikkan dan berlaku hanya apabila dipanaskan:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

Dengan oksigen dan hidrogen sulfur bertindak balas dengan pemanasan sedikit. Campuran oksigen dan hidrogen dalam nisbah 1:2 dipanggil gas letupan:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

Dengan nitrogen, fosforus dan karbon tindak balas berlaku di bawah haba, tekanan tinggi dan dengan kehadiran mangkin. Tindak balas boleh diterbalikkan:

3H 2 + N 2 → kucing, p, t2NH 3

2H 2 + 3P → kucing, p, t3PH 3

H 2 + C → kucing., p, t CH 4

2. Interaksi dengan bahan kompleks. Pada suhu tinggi, hidrogen mengurangkan logam daripada oksidanya:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. Pada interaksi dengan logam alkali dan alkali tanah Hidrogen mempamerkan sifat pengoksidaan:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Interaksi dengan bahan organik. Hidrogen secara aktif berinteraksi dengan banyak bahan organik; tindak balas sedemikian dipanggil tindak balas penghidrogenan. Reaksi sedemikian akan dibincangkan dengan lebih terperinci dalam Bahagian III koleksi "Kimia Organik".

Cecair

Hidrogen(lat. Hidrogenium; ditunjukkan oleh simbol H) ialah unsur pertama bagi jadual unsur berkala. Diedarkan secara meluas dalam alam semula jadi. Kation (dan nukleus) bagi isotop hidrogen yang paling biasa, 1 H, ialah proton. Sifat-sifat nukleus 1 H memungkinkan untuk menggunakan spektroskopi NMR secara meluas dalam analisis bahan organik.

Tiga isotop hidrogen mempunyai nama mereka sendiri: 1 H - protium (H), 2 H - deuterium (D) dan 3 H - tritium (radioaktif) (T).

Bahan ringkas hidrogen - H 2 - ialah gas ringan tidak berwarna. Apabila dicampur dengan udara atau oksigen, ia mudah terbakar dan mudah meletup. Tidak toksik. Larut dalam etanol dan beberapa logam: besi, nikel, paladium, platinum.

cerita

Pembebasan gas mudah terbakar semasa interaksi asid dan logam diperhatikan pada ke-16 dan abad XVII pada awal pembentukan kimia sebagai sains. Mikhail Vasilyevich Lomonosov juga secara langsung menunjukkan pengasingannya, tetapi dia sudah pasti sedar bahawa ia bukan phlogiston. Ahli fizik dan ahli kimia Inggeris Henry Cavendish memeriksa gas ini pada tahun 1766 dan memanggilnya "udara mudah terbakar." Apabila dibakar, "udara mudah terbakar" menghasilkan air, tetapi pematuhan Cavendish kepada teori phlogiston menghalangnya daripada membuat kesimpulan yang betul. Ahli kimia Perancis Antoine Lavoisier, bersama-sama dengan jurutera J. Meunier, menggunakan gasometer khas, pada tahun 1783 menjalankan sintesis air, dan kemudian analisisnya, mengurai wap air dengan besi panas. Oleh itu, beliau menegaskan bahawa "udara mudah terbakar" adalah sebahagian daripada air dan boleh diperoleh daripadanya.

asal nama

Lavoisier memberi nama hidrogen kepada hidrogen - "melahirkan air." Nama Rusia "hidrogen" dicadangkan oleh ahli kimia M. F. Soloviev pada tahun 1824 - dengan analogi dengan "oksigen" Slomonosov.

Kelaziman

Hidrogen adalah unsur yang paling banyak di Alam Semesta. Ia menyumbang kira-kira 92% daripada semua atom (8% adalah atom helium, bahagian semua unsur lain yang digabungkan adalah kurang daripada 0.1%). Oleh itu, hidrogen adalah komponen utama bintang dan gas antara bintang. Dalam keadaan suhu bintang (contohnya, suhu permukaan Matahari ialah ~ 6000 °C), hidrogen wujud dalam bentuk plasma; dalam ruang antara bintang, unsur ini wujud dalam bentuk molekul individu, atom dan ion dan boleh membentuk awan molekul yang berbeza dengan ketara dalam saiz, ketumpatan dan suhu.

Kerak bumi dan organisma hidup

Pecahan jisim hidrogen dalam kerak bumi ialah 1% - ia adalah unsur kesepuluh yang paling banyak. Walau bagaimanapun, peranannya dalam alam semula jadi tidak ditentukan oleh jisim, tetapi oleh bilangan atom, bahagiannya antara unsur lain ialah 17% (tempat kedua selepas oksigen, bahagian atomnya ialah ~ 52%). Oleh itu, kepentingan hidrogen dalam proses kimia yang berlaku di Bumi adalah hampir sama hebatnya dengan oksigen. Tidak seperti oksigen, yang wujud di Bumi dalam keadaan terikat dan bebas, hampir semua hidrogen di Bumi adalah dalam bentuk sebatian; hanya dalam kuantiti yang sangat kecil hidrogen dalam bentuk bahan mudah terkandung dalam atmosfera (0.00005% mengikut isipadu).

Hidrogen adalah sebahagian daripada hampir semua bahan organik dan terdapat dalam semua sel hidup. Dalam sel hidup, hidrogen menyumbang hampir 50% daripada bilangan atom.

resit

Kaedah perindustrian untuk menghasilkan bahan mudah bergantung pada bentuk di mana unsur yang sepadan ditemui di alam semula jadi, iaitu, apa yang boleh menjadi bahan mentah untuk pengeluarannya. Oleh itu, oksigen, yang tersedia dalam keadaan bebas, diperoleh secara fizikal - dengan pemisahan dari udara cecair. Hampir semua hidrogen adalah dalam bentuk sebatian, jadi untuk mendapatkannya mereka gunakan kaedah kimia. Khususnya, tindak balas penguraian boleh digunakan. Salah satu cara untuk menghasilkan hidrogen adalah melalui penguraian air oleh arus elektrik.

Kaedah perindustrian utama untuk menghasilkan hidrogen ialah tindak balas metana, yang termasuk dalam komposisi, dengan air. gas asli. Ia dijalankan pada suhu tinggi (mudah untuk mengesahkan bahawa apabila menghantar metana walaupun melalui air mendidih, tiada tindak balas berlaku):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Di makmal, untuk mendapatkan bahan mudah, mereka tidak semestinya menggunakan bahan mentah semula jadi, tetapi memilih bahan permulaan yang lebih mudah untuk mengasingkan bahan yang diperlukan. Sebagai contoh, di makmal, oksigen tidak diperoleh daripada udara. Perkara yang sama berlaku untuk pengeluaran hidrogen. Salah satu kaedah makmal untuk menghasilkan hidrogen, yang kadang-kadang digunakan dalam industri, ialah penguraian air oleh arus elektrik.

Lazimnya, hidrogen dihasilkan di makmal dengan bertindak balas zink dengan asid hidroklorik.

Dalam industri

1. Elektrolisis larutan garam akueus:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2. Melepasi wap air ke atas kok panas pada suhu kira-kira 1000 °C:

H2O+C? H2+CO

3. Daripada gas asli.

Penukaran wap:

CH 4 + H 2 O ? CO + 3H 2 (1000 °C)

Pengoksidaan katalitik dengan oksigen:

2CH 4 + O 2 ? 2CO + 4H2

4. Keretakan dan pembentukan semula hidrokarbon semasa penapisan minyak.

Dalam makmal

1.Kesan asid cair pada logam. Untuk menjalankan tindak balas ini, zink dan dicairkan asid hidroklorik:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interaksi kalsium dengan air:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hidrolisis hidrida:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Kesan alkali pada zink atau aluminium:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Menggunakan elektrolisis. Semasa elektrolisis larutan akueus alkali atau asid, hidrogen dibebaskan di katod, contohnya:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Ciri-ciri fizikal

Hidrogen boleh wujud dalam dua bentuk (pengubahsuaian) - dalam bentuk ortho- dan para-hydrogen. Dalam molekul ortohidrogen o-H 2 (mp −259.10 °C, bp −252.56 °C) putaran nuklear diarahkan secara sama (selari), dan untuk parahidrogen hlm-H 2 (takat lebur −259.32 °C, takat didih −252.89 °C) - bertentangan antara satu sama lain (antiparallel). Campuran keseimbangan o-H 2 dan hlm-H 2 pada suhu tertentu dipanggil keseimbangan hidrogen e-H2.

Pengubahsuaian hidrogen boleh dipisahkan dengan penjerapan pada karbon aktif pada suhu nitrogen cecair. Pada sangat suhu rendah keseimbangan antara ortohidrogen dan parahidrogen hampir sepenuhnya beralih ke arah yang kedua. Pada 80 K nisbah bentuk adalah lebih kurang 1:1. Apabila dipanaskan, parahidrogen terdesorpsi ditukar kepada ortohidrogen sehingga campuran terbentuk yang keseimbangan pada suhu bilik (orto-para: 75:25). Tanpa pemangkin, transformasi berlaku secara perlahan (di bawah keadaan medium antara bintang - dengan masa ciri sehingga kosmologi), yang memungkinkan untuk mengkaji sifat pengubahsuaian individu.

Hidrogen adalah gas paling ringan, ia adalah 14.5 kali lebih ringan daripada udara. Jelas sekali, semakin kecil jisim molekul, semakin tinggi kelajuannya pada suhu yang sama. Sebagai molekul yang paling ringan, molekul hidrogen bergerak lebih cepat daripada molekul mana-mana gas lain dan dengan itu boleh memindahkan haba dari satu badan ke badan yang lain dengan lebih cepat. Ia berikutan bahawa hidrogen mempunyai kekonduksian terma tertinggi di antara bahan gas. Kekonduksian termanya adalah kira-kira tujuh kali lebih tinggi daripada kekonduksian terma udara.

Molekul hidrogen adalah diatomik - H2. Pada keadaan biasa ialah gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa. Ketumpatan 0.08987 g/l (no.), takat didih −252.76 °C, haba tentu pembakaran 120.9×10 6 J/kg, sedikit larut dalam air - 18.8 ml/l. Hidrogen sangat larut dalam banyak logam (Ni, Pt, Pd, dll.), terutamanya dalam paladium (850 isipadu setiap 1 isipadu Pd). Keterlarutan hidrogen dalam logam adalah berkaitan dengan keupayaannya untuk meresap melaluinya; Resapan melalui aloi karbon (contohnya, keluli) kadangkala disertai dengan pemusnahan aloi akibat interaksi hidrogen dengan karbon (yang dipanggil penyahkarbonan). Praktikal tidak larut dalam perak.

Hidrogen cecair wujud dalam julat suhu yang sangat sempit dari -252.76 hingga -259.2 °C. Ia adalah cecair tidak berwarna, sangat ringan (ketumpatan pada −253 °C 0.0708 g/cm3) dan cecair (kelikatan pada −253 °C 13.8 spuaz). Parameter kritikal hidrogen adalah sangat rendah: suhu −240.2 °C dan tekanan 12.8 atm. Ini menerangkan kesukaran dalam mencairkan hidrogen. DALAM keadaan cair hidrogen keseimbangan terdiri daripada 99.79% para-H2, 0.21% orto-H2.

Hidrogen pepejal, takat lebur −259.2 °C, ketumpatan 0.0807 g/cm 3 (pada −262 °C) - jisim seperti salji, hablur heksagon, kumpulan ruang P6/mmc, parameter sel a=3,75 c=6.12. Pada tekanan darah tinggi hidrogen masuk ke dalam keadaan logam.

Isotop

Hidrogen berlaku dalam bentuk tiga isotop, yang mempunyai nama individu: 1 H - protium (H), 2 H - deuterium (D), 3 H - tritium (radioaktif) (T).

Protium dan deuterium ialah isotop stabil dengan nombor jisim 1 dan 2. Kandungannya secara semula jadi ialah 99.9885 ± 0.0070% dan 0.0115 ± 0.0070%, masing-masing. Nisbah ini mungkin berbeza sedikit bergantung kepada sumber dan kaedah menghasilkan hidrogen.

Isotop hidrogen 3H (tritium) tidak stabil. Separuh hayatnya ialah 12.32 tahun. Tritium berlaku secara semula jadi dalam kuantiti yang sangat kecil.

Kesusasteraan juga menyediakan data tentang isotop hidrogen dengan nombor jisim 4 - 7 dan separuh hayat 10 -22 - 10 -23 s.

Hidrogen semulajadi terdiri daripada molekul H 2 dan HD (deuterium hidrogen) dalam nisbah 3200:1. Kandungan deuterium hidrogen D 2 tulen adalah lebih sedikit. Nisbah kepekatan HD dan D 2 adalah lebih kurang 6400:1.

Daripada semua isotop unsur kimia Sifat fizikal dan kimia isotop hidrogen sangat berbeza antara satu sama lain. Ini disebabkan oleh perubahan relatif terbesar dalam jisim atom.

	Suhu lebur, K	Suhu mendidih, K	Bertiga titik, K/kPa	kritikal titik, K/kPa	Ketumpatan cecair/gas, kg/m³

Deuterium dan tritium juga mempunyai pengubahsuaian orto dan para: hlm-D 2 , o-D 2 , hlm-T 2, o-T 2 . Hidrogen heteroisotop (HD, HT, DT) tidak mempunyai pengubahsuaian orto dan para.

Sifat kimia

Pecahan molekul hidrogen tercerai

Molekul hidrogen H2 agak kuat, dan untuk hidrogen bertindak balas, banyak tenaga mesti dibelanjakan:

H 2 = 2H − 432 kJ

Oleh itu, pada suhu biasa, hidrogen bertindak balas hanya dengan sangat logam aktif, contohnya dengan kalsium, membentuk kalsium hidrida:

Ca + H 2 = CaH 2

dan dengan satu-satunya bukan logam - fluorin, membentuk hidrogen fluorida:

Hidrogen bertindak balas dengan kebanyakan logam dan bukan logam pada suhu tinggi atau di bawah pengaruh lain, contohnya, pencahayaan:

O 2 + 2H 2 = 2H 2 O

Ia boleh "mengambil" oksigen daripada beberapa oksida, contohnya:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

Persamaan bertulis mencerminkan sifat pengurangan hidrogen.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

Membentuk hidrogen halida dengan halogen:

F 2 + H 2 → 2HF, tindak balas berlaku secara meletup dalam gelap dan pada sebarang suhu,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, tindak balas berlaku secara meletup, hanya dalam cahaya.

Ia berinteraksi dengan jelaga di bawah haba yang tinggi:

C + 2H 2 → CH 4

Interaksi dengan logam alkali dan alkali tanah

Apabila berinteraksi dengan logam aktif, hidrogen membentuk hidrida:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hidrida- bahan pepejal seperti garam, mudah dihidrolisis:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interaksi dengan oksida logam (biasanya unsur-d)

Oksida dikurangkan kepada logam:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Penghidrogenan sebatian organik

Hidrogen molekul digunakan secara meluas dalam sintesis organik untuk pengurangan sebatian organik. Proses-proses ini dipanggil tindak balas penghidrogenan. Tindak balas ini dijalankan dengan kehadiran mangkin di tekanan darah tinggi dan suhu. Mangkin boleh sama ada homogen (cth Wilkinson Catalyst) atau heterogen (cth Raney nikel, paladium pada karbon).

Oleh itu, khususnya, semasa penghidrogenan katalitik sebatian tak tepu seperti alkena dan alkuna, sebatian tepu terbentuk - alkana.

Geokimia hidrogen

Hidrogen H2 bebas agak jarang berlaku dalam gas daratan, tetapi dalam bentuk air ia mengambil bahagian yang sangat penting dalam proses geokimia.

Hidrogen boleh terdapat dalam mineral dalam bentuk ion ammonium, ion hidroksil dan air kristal.

Di atmosfera, hidrogen dihasilkan secara berterusan hasil daripada penguraian air oleh sinaran suria. Mempunyai jisim yang kecil, molekul hidrogen mempunyai kelajuan tinggi pergerakan penyebaran (ia hampir dengan yang kedua halaju melarikan diri) dan, jatuh ke lapisan atas atmosfera, boleh terbang ke angkasa lepas.

Ciri-ciri rawatan

Hidrogen, apabila dicampur dengan udara, membentuk campuran letupan - yang dipanggil gas meletup. Gas ini paling mudah meletup apabila nisbah isipadu hidrogen dan oksigen ialah 2:1, atau hidrogen dan udara adalah lebih kurang 2:5, kerana udara mengandungi kira-kira 21% oksigen. Hidrogen juga merupakan bahaya kebakaran. Hidrogen cecair boleh menyebabkan radang dingin yang teruk jika ia bersentuhan dengan kulit.

Kepekatan letupan hidrogen dan oksigen berlaku daripada 4% hingga 96% mengikut isipadu. Apabila dicampur dengan udara daripada 4% hingga 75(74)% mengikut isipadu.

Ekonomi

Kos hidrogen untuk bekalan borong besar berkisar antara $2-5 setiap kg.

Permohonan

Hidrogen atom digunakan untuk kimpalan hidrogen atom.

Industri kimia

• Dalam penghasilan ammonia, metanol, sabun dan plastik
• Dalam pengeluaran marjerin daripada minyak sayuran cecair
• Berdaftar sebagai ketagihan makanan E949(gas pembungkusan)

Industri Makanan

Industri penerbangan

Hidrogen sangat ringan dan sentiasa naik di udara. Suatu ketika dahulu, kapal udara dan belon diisi dengan hidrogen. Tetapi dalam 30-an. abad XX Terdapat beberapa bencana di mana kapal udara meletup dan terbakar. Pada masa kini, kapal udara dipenuhi dengan helium, walaupun kosnya jauh lebih tinggi.

Bahan api

Hidrogen digunakan sebagai bahan api roket.

Penyelidikan sedang dijalankan mengenai penggunaan hidrogen sebagai bahan api untuk kereta penumpang dan trak. Enjin hidrogen jangan cemarkan persekitaran dan hanya melepaskan wap air.

Sel bahan api hidrogen-oksigen menggunakan hidrogen untuk menukar secara langsung tenaga tindak balas kimia kepada tenaga elektrik.

"Cecair Hidrogen"(“LH”) ialah keadaan cecair hidrogen, dengan ketumpatan spesifik rendah 0.07 g/cm³ dan sifat kriogenik dengan takat beku 14.01 K (−259.14 °C) dan takat didih 20.28 K (−252.87 °C ). Ia adalah cecair tidak berwarna, tidak berbau, yang apabila dicampur dengan udara dikelaskan sebagai bahan letupan dengan julat mudah terbakar 4-75%. Nisbah putaran isomer dalam hidrogen cecair ialah: 99.79% - parahidrogen; 0.21% - ortohidrogen. Pekali pengembangan hidrogen apabila menukar keadaan pengagregatannya kepada gas ialah 848:1 pada 20°C.

Seperti mana-mana gas lain, pencairan hidrogen membawa kepada penurunan isipadunya. Selepas pencairan, cecair cecair disimpan dalam bekas berpenebat haba di bawah tekanan. Hidrogen cecair Hidrogen cecair, LH2, LH 2) digunakan secara aktif dalam industri, sebagai bentuk penyimpanan gas, dan dalam industri angkasa, sebagai bahan api roket.

cerita

Penggunaan penyejukan tiruan yang pertama didokumentasikan telah dijalankan oleh saintis Inggeris William Cullen pada tahun 1756, Gaspard Monge adalah yang pertama memperoleh keadaan cecair sulfur oksida pada tahun 1784, Michael Faraday adalah yang pertama mendapatkan ammonia cecair, pencipta Amerika Oliver Evans adalah yang pertama berkembang pemampat penyejukan pada tahun 1805, Jacob Perkins adalah orang pertama yang mematenkan mesin penyejukan pada tahun 1834, dan John Gorey adalah orang pertama yang mematenkan penghawa dingin di Amerika Syarikat pada tahun 1851. Werner Siemens mencadangkan konsep penyejukan regeneratif pada tahun 1857, Karl Linde mempatenkan peralatan untuk menghasilkan udara cecair menggunakan lata "kesan pengembangan Joule-Thomson" dan penyejukan regeneratif pada tahun 1876. Pada tahun 1885, ahli fizik dan ahli kimia Poland Zygmunt Wroblewski menerbitkan suhu kritikal hidrogen 33 K, tekanan kritikal 13.3 atm. dan takat didih pada 23 K. Hidrogen pertama kali dicairkan oleh James Dewar pada tahun 1898 menggunakan penyejukan regeneratif dan ciptaannya, kelalang Dewar. Sintesis pertama isomer stabil hidrogen cecair, parahidrogen, telah dijalankan oleh Paul Harteck dan Carl Bonhoeffer pada tahun 1929.

Isomer putaran hidrogen

Hidrogen pada suhu bilik terdiri terutamanya daripada isomer putaran, ortohidrogen. Selepas pengeluaran, hidrogen cecair berada dalam keadaan metastabil dan mesti ditukar kepada bentuk parahidrogen untuk mengelakkan tindak balas eksotermik letupan yang berlaku apabila ia berubah pada suhu rendah. Penukaran kepada fasa parahidrogen biasanya dilakukan dengan menggunakan mangkin seperti oksida besi, kromium oksida, Karbon diaktifkan asbestos bersalut platinum, logam nadir bumi atau melalui penggunaan bahan tambahan uranium atau nikel.

Penggunaan

Hidrogen cecair boleh digunakan sebagai satu bentuk simpanan bahan api untuk enjin pembakaran dalaman dan sel bahan api. Pelbagai kapal selam (projek "212A" dan "214", Jerman) dan konsep pengangkutan hidrogen telah dicipta menggunakan bentuk agregat hidrogen ini (lihat sebagai contoh "DeepC" atau "BMW H2R"). Disebabkan oleh kedekatan reka bentuk, pencipta peralatan LHV boleh menggunakan atau hanya mengubah suai sistem menggunakan gas asli cecair (LNG). Walau bagaimanapun, disebabkan ketumpatan tenaga isipadu yang lebih rendah, pembakaran memerlukan isipadu hidrogen yang lebih besar daripada gas asli. Jika hidrogen cecair digunakan dan bukannya "CNG" dalam enjin omboh, lebih besar sistem bahan api. Dengan suntikan terus, peningkatan kehilangan dalam saluran pengambilan mengurangkan pengisian silinder.

Hidrogen cecair juga digunakan untuk menyejukkan neutron dalam eksperimen penyerakan neutron. Jisim neutron dan nukleus hidrogen boleh dikatakan sama, jadi pertukaran tenaga pada perlanggaran elastik paling berkesan.

Kelebihan

Kelebihan menggunakan hidrogen ialah "pelepasan sifar" penggunaannya. Hasil interaksinya dengan udara ialah air.

Halangan

Satu liter "ZhV" beratnya hanya 0.07 kg. Iaitu, graviti tentunya ialah 70.99 g/l pada 20 K. Hidrogen cecair memerlukan teknologi penyimpanan kriogenik, seperti bekas penebat haba khas dan memerlukan pengendalian khas, yang tipikal untuk semua bahan kriogenik. Ia hampir dalam hal ini dengan oksigen cecair, tetapi memerlukan lebih berhati-hati kerana bahaya kebakaran. Walaupun dengan bekas bertebat, adalah sukar untuk menyimpannya pada suhu rendah yang diperlukan untuk memastikan ia cair (ia biasanya menyejat pada kadar 1% sehari). Semasa mengendalikannya, anda juga perlu mengikuti langkah berjaga-jaga keselamatan biasa apabila bekerja dengan hidrogen - ia cukup sejuk untuk mencairkan udara, yang boleh meletup.

Bahan api roket

Hidrogen cecair ialah komponen biasa bahan api roket, yang digunakan untuk menggerakkan kenderaan pelancar dan kapal angkasa. Dalam kebanyakan enjin roket hidrogen cecair, ia pertama kali digunakan untuk menyejukkan muncung dan bahagian enjin lain secara regeneratif sebelum ia dicampur dengan pengoksida dan dibakar untuk menghasilkan tujahan. Enjin moden yang menggunakan komponen H 2 /O 2 menggunakan campuran bahan api yang terlalu diperkaya dengan hidrogen, yang membawa kepada sejumlah hidrogen yang tidak terbakar dalam ekzos. Selain meningkatkan impuls spesifik enjin dengan mengurangkan berat molekul, ini juga mengurangkan hakisan muncung dan kebuk pembakaran.

Halangan sedemikian terhadap penggunaan LH di kawasan lain, seperti sifat kriogenik dan ketumpatan rendah, juga merupakan faktor pengehad untuk digunakan dalam dalam kes ini. Sehingga 2009, hanya terdapat satu kenderaan pelancar (kenderaan pelancar Delta-4), yang sepenuhnya merupakan roket hidrogen. Pada asasnya, "ZhV" digunakan sama ada pada peringkat atas roket, atau pada blok, yang menjalankan sebahagian besar kerja pada pelancaran muatan ke angkasa lepas dilakukan dalam vakum. Sebagai salah satu langkah untuk meningkatkan ketumpatan bahan api jenis ini, terdapat cadangan untuk menggunakan hidrogen seperti enapcemar, iaitu bentuk separa beku "hidrogen cecair".

DEFINISI

Hidrogen– unsur pertama Jadual Berkala Unsur Kimia D.I. Mendeleev. Simbol - N.

Jisim atom – 1 amu. Molekul hidrogen adalah diatomik - H2.

Konfigurasi elektronik atom hidrogen – 1s 1. Hidrogen tergolong dalam keluarga unsur-s. Dalam sebatiannya ia mempamerkan keadaan pengoksidaan -1, 0, +1. Hidrogen semulajadi terdiri daripada dua isotop stabil - protium 1H (99.98%) dan deuterium 2H (D) (0.015%) - dan isotop radioaktif tritium 3H (T) (jumlah surih, separuh hayat - 12.5 tahun) .

Sifat kimia hidrogen

Di bawah keadaan biasa, hidrogen molekul mempamerkan kereaktifan yang agak rendah, yang dijelaskan oleh kekuatan tinggi ikatan dalam molekul. Apabila dipanaskan, ia berinteraksi dengan hampir semua bahan ringkas yang dibentuk oleh unsur-unsur subkumpulan utama (kecuali gas mulia, B, Si, P, Al). Dalam tindak balas kimia ia boleh bertindak sebagai agen penurunan (lebih kerap) dan agen pengoksidaan (kurang kerap).

Pameran hidrogen sifat agen penurunan(H 2 0 -2e → 2H +) dalam tindak balas berikut:

1. Tindak balas interaksi dengan bahan mudah - bukan logam. Hidrogen bertindak balas dengan halogen, lebih-lebih lagi, tindak balas interaksi dengan fluorin dalam keadaan biasa, dalam gelap, dengan letupan, dengan klorin - di bawah pencahayaan (atau penyinaran UV) mengikut mekanisme rantai, dengan bromin dan iodin hanya apabila dipanaskan; oksigen(campuran oksigen dan hidrogen dalam nisbah isipadu 2:1 dipanggil "gas letupan"), kelabu, nitrogen Dan karbon:

H 2 + Hal 2 = 2HHal;

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 – 300C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Tindak balas interaksi dengan bahan kompleks. Hidrogen bertindak balas dengan oksida logam aktif rendah, dan ia mampu mengurangkan hanya logam yang berada di sebelah kanan zink dalam siri aktiviti:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O (t).

Hidrogen bertindak balas dengan oksida bukan logam:

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).

Hidrogen memasuki tindak balas penghidrogenan dengan sebatian organik kelas sikloalkana, alkena, arena, aldehid dan keton, dsb. Semua tindak balas ini dijalankan dengan pemanasan, di bawah tekanan, menggunakan platinum atau nikel sebagai pemangkin:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3 ;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12 ;

C 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 .

Hidrogen sebagai agen pengoksidaan(H 2 +2e → 2H -) muncul dalam tindak balas dengan logam alkali dan alkali tanah. Dalam kes ini, hidrida terbentuk - sebatian ionik kristal di mana hidrogen mempamerkan keadaan pengoksidaan -1.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Sifat fizikal hidrogen

Hidrogen ialah gas ringan, tidak berwarna, tidak berbau, ketumpatan pada keadaan persekitaran. – 0.09 g/l, 14.5 kali lebih ringan daripada udara, t mendidih = -252.8C, t pl = - 259.2C. Hidrogen tidak larut dalam air dan pelarut organik; ia sangat larut dalam beberapa logam: nikel, paladium, platinum.

Menurut kosmokimia moden, hidrogen adalah unsur yang paling biasa di Alam Semesta. Bentuk utama kewujudan hidrogen dalam luar angkasa– atom individu. Hidrogen adalah unsur ke-9 paling banyak di Bumi antara semua unsur. Jumlah utama hidrogen di Bumi berada dalam keadaan terikat - dalam komposisi air, minyak, gas asli, arang dan lain-lain. Hidrogen jarang ditemui dalam bentuk bahan mudah - dalam komposisi gas gunung berapi.

Pengeluaran hidrogen

Terdapat kaedah makmal dan perindustrian untuk menghasilkan hidrogen. Kaedah makmal termasuk interaksi logam dengan asid (1), serta interaksi aluminium dengan larutan akueus alkali (2). Antara kaedah perindustrian untuk menghasilkan hidrogen, elektrolisis larutan akueus alkali dan garam (3) dan penukaran metana (4) memainkan peranan penting:

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).

Contoh penyelesaian masalah

CONTOH 1

Senaman	Apabila 23.8 g logam timah bertindak balas dengan lebihan asid hidroklorik, hidrogen dibebaskan dalam jumlah yang mencukupi untuk mendapatkan 12.8 g tembaga logam Tentukan keadaan pengoksidaan timah dalam sebatian yang terhasil.
Penyelesaian	Berdasarkan struktur elektronik atom timah (...5s 2 5p 2), kita boleh membuat kesimpulan bahawa timah dicirikan oleh dua keadaan pengoksidaan - +2, +4. Berdasarkan ini, kami mencipta persamaan untuk tindak balas yang mungkin: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 = Cu + H 2 O (3). Mari cari jumlah bahan kuprum: v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12.8/64 = 0.2 mol. Menurut persamaan 3, jumlah bahan hidrogen: v(H 2) = v(Cu) = 0.2 mol. Mengetahui jisim timah, kita dapati jumlah bahannya: v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23.8/119 = 0.2 mol. Mari kita bandingkan jumlah bahan timah dan hidrogen mengikut persamaan 1 dan 2 dan mengikut keadaan masalah: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (persamaan 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (persamaan 2); v(Sn): v(H 2) = 0.2:0.2 = 1:1 (keadaan masalah). Oleh itu, timah bertindak balas dengan asid hidroklorik mengikut persamaan 1 dan keadaan pengoksidaan timah ialah +2.
Jawab	Keadaan pengoksidaan timah ialah +2.

CONTOH 2

Senaman	Gas yang dibebaskan oleh tindakan 2.0 g zink setiap 18.7 ml asid hidroklorik 14.6% (ketumpatan larutan 1.07 g/ml) telah dilalui apabila dipanaskan lebih 4.0 g kuprum (II) oksida. Berapakah jisim campuran pepejal yang terhasil?
Penyelesaian	Apabila zink bertindak balas dengan asid hidroklorik, hidrogen dibebaskan: Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (1), yang, apabila dipanaskan, mengurangkan kuprum(II) oksida kepada kuprum(2): CuO + H 2 = Cu + H 2 O. Mari kita cari jumlah bahan dalam tindak balas pertama: m(larutan HCl) = 18.7. 1.07 = 20.0 g; m(HCl) = 20.0. 0.146 = 2.92 g; v(HCl) = 2.92/36.5 = 0.08 mol; v(Zn) = 2.0/65 = 0.031 mol. Zink kekurangan bekalan, jadi jumlah hidrogen yang dibebaskan ialah: v(H 2) = v(Zn) = 0.031 mol. Dalam tindak balas kedua, hidrogen kekurangan bekalan kerana: v(СuО) = 4.0/80 = 0.05 mol. Hasil daripada tindak balas, 0.031 mol CuO akan bertukar menjadi 0.031 mol Cu, dan kehilangan jisim ialah: m(СuО) – m(Сu) = 0.031×80 – 0.031×64 = 0.50 g. Jisim campuran pepejal CuO dan Cu selepas melalui hidrogen ialah: 4.0-0.5 = 3.5 g.
Jawab	Jisim campuran pepejal CuO dan Cu ialah 3.5 g.

DEFINISI

Hidrogen- unsur pertama Jadual Berkala. Penamaan - H dari bahasa Latin "hydrogenium". Terletak dalam tempoh pertama, kumpulan IA. Merujuk kepada bukan logam. Caj nuklear ialah 1.

Hidrogen adalah salah satu unsur kimia yang paling biasa - bahagiannya adalah kira-kira 1% daripada jisim ketiga-tiga cengkerang kerak bumi(atmosfera, hidrosfera dan litosfera), yang apabila ditukar kepada peratusan atom memberikan angka 17.0.

Jumlah utama elemen ini berada dalam keadaan terikat. Jadi, air mengandungi kira-kira 11 wt. %, tanah liat - kira-kira 1.5%, dsb. Dalam bentuk sebatian dengan karbon, hidrogen adalah sebahagian daripada minyak, gas asli mudah terbakar dan semua organisma.

Hidrogen ialah gas tidak berwarna dan tidak berbau (gambar rajah struktur atom ditunjukkan dalam Rajah 1). Takat lebur dan takat didihnya adalah sangat rendah (masing-masing -259 o C dan -253 o C). Pada suhu (-240 o C) dan di bawah tekanan, hidrogen mampu mencairkan, dan dengan penyejatan cepat cecair yang terhasil, ia bertukar menjadi keadaan pepejal (hablur lutsinar). Ia sedikit larut dalam air - 2:100 mengikut isipadu. Hidrogen dicirikan oleh keterlarutan dalam beberapa logam, contohnya, besi.

nasi. 1. Struktur atom hidrogen.

Jisim atom dan molekul hidrogen

DEFINISI

Jisim atom relatif unsur ialah nisbah jisim atom unsur tertentu kepada 1/12 jisim atom karbon.

Jisim atom relatif tidak berdimensi dan dilambangkan dengan A r (indeks “r” - permulaan perkataan Inggeris relatif, yang bermaksud "saudara"). Jisim atom relatif hidrogen atom ialah 1.008 amu.

Jisim molekul, serta jisim atom, dinyatakan dalam unit jisim atom.

DEFINISI

Berat molekul Bahan dipanggil jisim molekul, dinyatakan dalam unit jisim atom. Berat molekul relatif bahan dipanggil nisbah jisim molekul bahan tertentu kepada 1/12 jisim atom karbon, jisimnya ialah 12 amu.

Adalah diketahui bahawa molekul hidrogen adalah diatomik - H 2 . Berat molekul relatif molekul hidrogen akan sama dengan:

M r (H 2) = 1.008 × 2 = 2.016.

Isotop hidrogen

Hidrogen mempunyai tiga isotop: protium 1 H, deuterium 2 H atau D dan tritium 3 H atau T. Nombor jisimnya ialah 1, 2 dan 3. Protium dan deuterium adalah stabil, tritium adalah radioaktif (separuh hayat 12.5 tahun). Dalam sebatian semula jadi, deuterium dan protium terkandung secara purata dalam nisbah 1:6800 (berdasarkan bilangan atom). Tritium ditemui dalam alam semula jadi dalam kuantiti yang boleh diabaikan.

Nukleus atom hidrogen 1 H mengandungi satu proton. Nukleus deuterium dan tritium termasuk, sebagai tambahan kepada proton, satu dan dua neutron.

Ion hidrogen

Atom hidrogen boleh sama ada melepaskan elektron tunggalnya untuk membentuk ion positif (iaitu proton kosong) atau memperoleh satu elektron untuk menjadi ion negatif, yang mempunyai konfigurasi elektron helium.

Penyingkiran lengkap elektron daripada atom hidrogen memerlukan perbelanjaan tenaga pengionan yang sangat tinggi:

H + 315 kcal = H + + e.

Akibatnya, apabila hidrogen berinteraksi dengan metaloid, bukan ion, tetapi hanya ikatan polar yang timbul.

Kecenderungan atom neutral untuk mendapatkan lebihan elektron dicirikan oleh nilai pertalian elektronnya. Dalam hidrogen ia dinyatakan agak lemah (namun, ini tidak bermakna bahawa ion hidrogen sedemikian tidak boleh wujud):

H + e = H - + 19 kcal.

Molekul hidrogen dan atom

Molekul hidrogen terdiri daripada dua atom - H2. Berikut adalah beberapa sifat yang mencirikan atom dan molekul hidrogen:

Contoh penyelesaian masalah

CONTOH 1

Senaman	Buktikan bahawa hidrida wujud formula am EN x mengandungi 12.5% ​​​​hidrogen.
Penyelesaian	Mari kita hitung jisim hidrogen dan unsur yang tidak diketahui, dengan mengambil jisim sampel menjadi 100 g: m(H) = m (EN x) ×w (H); m(H) = 100 × 0.125 = 12.5 g. m(E) = m (EN x) - m(H); m(E) = 100 - 12.5 = 87.5 g. Mari kita cari jumlah bahan hidrogen dan unsur yang tidak diketahui, menandakan jisim molar yang terakhir sebagai "x" (jisim molar hidrogen ialah 1 g/mol):