Hidrogen, sifat khas dan tindak balasnya. Apakah jenis bahan hidrogen? Sifat kimia dan fizikal hidrogen

15.10.2019

Hidrogen (H) sangat ringan unsur kimia, dengan kandungan 0.9% berat dalam kerak bumi, dan 11.19% dalam air.

Ciri-ciri hidrogen

Ia adalah yang pertama di kalangan gas dalam cahaya. Pada keadaan biasa tidak berasa, tidak berwarna dan tidak berbau sama sekali. Apabila ia memasuki termosfera, ia terbang ke angkasa kerana beratnya yang rendah.

Di seluruh alam semesta, ia adalah unsur kimia yang paling banyak (75% daripada jumlah jisim bahan). Sehinggakan banyak bintang luar angkasa terdiri sepenuhnya daripadanya. Contohnya, Matahari. Komponen utamanya ialah hidrogen. Dan haba dan cahaya adalah hasil daripada pembebasan tenaga apabila nukleus bahan bergabung. Juga di angkasa terdapat keseluruhan awan molekulnya dengan pelbagai saiz, ketumpatan dan suhu.

Ciri-ciri fizikal

Suhu dan tekanan tinggi mengubah kualitinya dengan ketara, tetapi dalam keadaan biasa ia:

Ia mempunyai kekonduksian terma yang tinggi jika dibandingkan dengan gas lain,

Tidak toksik dan kurang larut dalam air,

Dengan ketumpatan 0.0899 g/l pada 0°C dan 1 atm.,

Berubah menjadi cecair pada suhu -252.8°C

Menjadi keras pada -259.1°C.,

Haba tentu pembakaran 120.9.106 J/kg.

Diperlukan untuk berubah menjadi keadaan cecair atau pepejal tekanan tinggi dan sangat suhu rendah. Dalam keadaan cair, ia adalah cecair dan ringan.

Sifat kimia

Di bawah tekanan dan apabila disejukkan (-252.87 darjah C), hidrogen memperoleh keadaan cair, yang lebih ringan beratnya daripada mana-mana analog. Di dalamnya dia menduduki kurang ruang daripada dalam bentuk gas.

Ia adalah bukan logam biasa. Di makmal, ia dihasilkan dengan bertindak balas logam (seperti zink atau besi) dengan asid cair. Dalam keadaan biasa ia tidak aktif dan bertindak balas hanya dengan bukan logam aktif. Hidrogen boleh memisahkan oksigen daripada oksida, dan mengurangkan logam daripada sebatian. Ia dan campurannya membentuk ikatan hidrogen dengan unsur-unsur tertentu.

Gas ini sangat larut dalam etanol dan dalam banyak logam, terutamanya paladium. Perak tidak melarutkannya. Hidrogen boleh teroksida semasa pembakaran dalam oksigen atau udara, dan apabila berinteraksi dengan halogen.

Apabila ia bergabung dengan oksigen, air terbentuk. Jika suhu adalah normal, maka tindak balas berjalan perlahan-lahan; jika melebihi 550°C, ia meletup (ia bertukar menjadi gas meletup).

Mencari hidrogen dalam alam semula jadi

Walaupun terdapat banyak hidrogen di planet kita, ia tidak mudah ditemui dalam bentuk tulennya. Sedikit boleh didapati semasa letusan gunung berapi, semasa pengeluaran minyak dan di mana bahan organik terurai.

Lebih separuh daripada jumlah keseluruhan adalah dalam komposisi dengan air. Ia juga termasuk dalam struktur minyak, pelbagai tanah liat, gas mudah terbakar, haiwan dan tumbuhan (kehadiran dalam setiap sel hidup adalah 50% dengan bilangan atom).

Kitaran hidrogen dalam alam semula jadi

Setiap tahun, sejumlah besar (berbilion tan) sisa tumbuhan terurai dalam badan air dan tanah, dan penguraian ini membebaskan jisim hidrogen yang besar ke atmosfera. Ia juga dibebaskan semasa sebarang penapaian yang disebabkan oleh bakteria, pembakaran dan, bersama-sama dengan oksigen, mengambil bahagian dalam kitaran air.

Aplikasi Hidrogen

Unsur ini digunakan secara aktif oleh manusia dalam aktivitinya, jadi kami telah belajar untuk mendapatkannya pada skala perindustrian untuk:

Meteorologi, pengeluaran kimia;

Pengeluaran marjerin;

Sebagai bahan api roket (hidrogen cecair);

Industri kuasa elektrik untuk penyejukan penjana elektrik;

Kimpalan dan pemotongan logam.

Banyak hidrogen digunakan dalam pengeluaran petrol sintetik (untuk meningkatkan kualiti bahan api berkualiti rendah), ammonia, hidrogen klorida, alkohol, dan bahan lain. Tenaga nuklear secara aktif menggunakan isotopnya.

Ubat "hidrogen peroksida" digunakan secara meluas dalam metalurgi, industri elektronik, pengeluaran pulpa dan kertas, untuk pelunturan linen dan kain kapas, untuk pengeluaran pewarna rambut dan kosmetik, polimer dan dalam perubatan untuk rawatan luka.

Sifat "letupan" gas ini boleh menjadi senjata maut - bom hidrogen. Letupannya disertai dengan pembebasan sejumlah besar bahan radioaktif dan merosakkan semua makhluk hidup.

Sentuhan hidrogen cecair dan kulit boleh menyebabkan radang dingin yang teruk dan menyakitkan.

Dalam jadual berkala ia mempunyai kedudukan khusus sendiri, yang mencerminkan sifat yang dipamerkannya dan bercakap tentangnya struktur elektronik. 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, serta komponen ramai 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.

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.
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.
Hidrogen adalah agen penurunan yang kuat. Oleh itu, tempat utamanya dianggap sebagai kumpulan pertama subkumpulan utama, di mana dia paling banyak mengetuai logam aktif- beralkali.
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.
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 yang terhasil adalah mudah dan bahan kompleks 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.

Pembaharuan metana wap.
Pengegasan arang batu - proses melibatkan pemanasan arang batu hingga 1000 0 C, menghasilkan pembentukan arang batu hidrogen dan karbon tinggi.
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:

Hidrolisis hidrida logam.
Kesan asid cair pada logam aktif dan aktiviti sederhana.
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.

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

Hidrogen halida. Formula am- 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.
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.
Hidrida ialah sebatian dengan logam. Mereka tergolong dalam kelas garam.
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.
Hidrogen hidroksida. Sebatian ini lebih dikenali sebagai air. Nama lain ialah hidrogen oksida. Formula empirikal kelihatan seperti ini - H 2 O.
Hidrogen peroksida. Ini adalah agen pengoksidaan yang kuat, formulanya ialah H 2 O 2.
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.

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

Hidrogen (kertas surih daripada bahasa Latin: lat. Hidrogenium - hidro = "air", gen = "menjana"; hidrogenium - "air penjanaan"; dilambangkan dengan simbol H) ialah unsur pertama dalam 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 memberikan nama hidrogen kepada hidrogen (dari bahasa Yunani kuno ὕδωρ - air dan γεννάω - Saya melahirkan) - "melahirkan air". Nama Rusia "hidrogen" dicadangkan oleh ahli kimia M. F. Solovyov pada tahun 1824 - dengan analogi dengan "oksigen" oleh M. V. Lomonosov.

Kelaziman

Di Alam Semesta
Hidrogen adalah unsur yang paling biasa 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 membentuk 1% - ia adalah unsur kesepuluh yang paling biasa. 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 sejumlah kecil hidrogen dalam bentuk bahan ringkas 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 pengeluaran industri bahan mudah bergantung pada bentuk di mana unsur yang sepadan ditemui dalam 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:
CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Salah satu kaedah makmal untuk menghasilkan hidrogen, yang kadang-kadang digunakan dalam industri, ialah penguraian air oleh arus elektrik. Biasanya, hidrogen dihasilkan di makmal dengan bertindak balas zink dengan asid hidroklorik.

Kuliah 29

Hidrogen. air

Rangka kuliah:

air. Sifat kimia dan 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-dua logam alkali dan halogen (Jadual 14).

Jadual 14

Perbandingan sifat hidrogen dengan sifat logam alkali dan halogen

Persamaan dengan logam alkali	Persamaan dengan halogen
Pada tahap tenaga luar, 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 dan dalam komposisi gas sintesis (2 jilid 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 apabila dipanaskan, tekanan darah tinggi dan dengan kehadiran pemangkin. 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".

Hidrogen(lat. hidrogenium), H, unsur kimia, pertama dalam nombor siri dalam sistem berkala Mendeleev; jisim atom 1.00797. Dalam keadaan biasa, V. ialah gas; tidak mempunyai warna, bau atau rasa.

Rujukan sejarah. Dalam karya ahli kimia abad ke-16 dan ke-17. Pembebasan gas mudah terbakar apabila asid bertindak ke atas logam telah berulang kali disebut. Pada tahun 1766 Cavendish mengumpul dan mengkaji gas yang dilepaskan, memanggilnya "udara mudah terbakar." Menjadi penyokong teori phlogiston, Cavendish percaya bahawa gas ini adalah phlogiston tulen. Pada tahun 1783 A. Lavoisier dengan menganalisis dan mensintesis air, dia membuktikan kerumitan komposisinya, dan pada tahun 1787 dia mengenal pasti "udara mudah terbakar" sebagai unsur kimia baru (V.) dan memberikannya nama moden hydrog e ne (dari bahasa Yunani h y d o r - air dan genn a o - saya melahirkan), yang bermaksud "melahirkan air"; akar ini digunakan dalam nama sebatian dan proses V. dengan penyertaannya (contohnya, hidrida, penghidrogenan). Nama Rusia moden "V." telah dicadangkan oleh M. F. Solovyov pada tahun 1824.

Kelaziman dalam alam semula jadi . V. tersebar luas di alam semula jadi; kandungannya dalam kerak bumi (litosfera dan hidrosfera) ialah 1% mengikut berat dan 16% mengikut bilangan atom. V. adalah sebahagian daripada bahan yang paling biasa di Bumi - air (11.19% daripada V. mengikut berat), dalam komposisi sebatian yang membentuk arang batu, minyak, gas asli, tanah liat, serta organisma haiwan dan tumbuhan (iaitu, dalam komposisi protein, asid nukleik, lemak, karbohidrat, dll.). Dalam keadaan bebas, V. adalah sangat jarang berlaku, ia ditemui dalam kuantiti yang kecil dalam gunung berapi dan gas asli yang lain. Sejumlah kecil hidrogen bebas (0.0001% mengikut bilangan atom) terdapat di atmosfera. Dalam ruang berhampiran Bumi, tenaga dalam bentuk aliran proton membentuk dalaman (“proton”) Sabuk sinaran bumi. Dalam ruang, V. ialah unsur yang paling biasa. Sebagai plasma ia membentuk kira-kira separuh daripada jisim Matahari dan kebanyakan bintang, sebahagian besar daripada gas-gas medium antara bintang dan nebula gas. V. terdapat dalam atmosfera beberapa planet dan dalam komet dalam bentuk h 2 bebas, metana ch 4, ammonia nh 3, air h 2 o, radikal seperti ch, nh, oh, sih, ph, dll. . Dalam bentuk aliran proton, tenaga adalah sebahagian daripada sinaran korpuskular Matahari dan sinaran kosmik.

Isotop, atom dan molekul. V. Biasa terdiri daripada campuran dua isotop stabil: V. ringan, atau protium (1 jam), dan V. berat, atau deuterium(2 jam, atau d). Dalam sebatian semula jadi, terdapat secara purata 6800 atom 1 jam setiap 1 atom 2 jam. Isotop radioaktif diperoleh secara buatan - superheavy V., atau tritium(3 jam, atau T), dengan sinaran lembut? dan separuh hayat t 1/2= 12.262 tahun. Secara semula jadi, tritium terbentuk, sebagai contoh, daripada nitrogen atmosfera di bawah pengaruh neutron sinar kosmik; di atmosfera ia boleh diabaikan (4 10 -15% daripada jumlah nombor atom V.). Isotop yang sangat tidak stabil selama 4 jam diperolehi. Nombor jisim isotop 1 h, 2 h, 3 h dan 4 h, masing-masing 1,2, 3 dan 4, menunjukkan bahawa nukleus atom protium hanya mengandungi 1 proton, deuterium - 1 proton dan 1 neutron, tritium - 1 proton dan 2 neutron, 4 jam - 1 proton dan 3 neutron. Perbezaan besar dalam jisim isotop V. menentukan perbezaan yang lebih ketara dalam sifat fizikal dan kimianya berbanding dalam kes isotop unsur lain.

Atom V. mempunyai struktur paling ringkas di antara atom-atom semua unsur lain: ia terdiri daripada nukleus dan satu elektron. Tenaga pengikatan elektron dengan nukleus (potensi pengionan) ialah 13.595 ev. Atom neutral juga boleh menambah elektron kedua, membentuk ion negatif H -; dalam kes ini, tenaga pengikatan elektron kedua dengan atom neutral (afiniti elektron) ialah 0.78 ev. Mekanik kuantum membolehkan anda mengira semua tahap tenaga yang mungkin bagi atom V., dan oleh itu, memberikan tafsiran lengkap mengenainya spektrum atom. Atom V. digunakan sebagai atom model dalam pengiraan mekanikal kuantum tahap tenaga yang lain, lebih atom kompleks. Molekul B. h 2 terdiri daripada dua atom yang disambungkan oleh ikatan kimia kovalen. Tenaga penceraian (iaitu, pereputan menjadi atom) ialah 4.776 ev(1 ev= 1.60210 10 -19 j). Jarak antara atom pada kedudukan keseimbangan nukleus ialah 0.7414 a. Pada suhu tinggi, hidrogen molekul terurai menjadi atom (tahap penceraian pada 2000°C ialah 0.0013, pada 5000°C 0.95). Hidrogen atom juga terbentuk dalam pelbagai tindak balas kimia (contohnya, dengan tindakan zn pada asid hidroklorik). Walau bagaimanapun, kewujudan V. dalam keadaan atom hanya kekal masa yang singkat, atom bergabung semula menjadi h 2 molekul.

Sifat fizikal dan kimia . V. ialah yang paling ringan daripada semua bahan yang diketahui (14.4 kali lebih ringan daripada udara), ketumpatan 0.0899 g/l pada 0°C dan 1 atm. Helium mendidih (mencairkan) dan mencair (memekat), masing-masing, pada -252.6°C dan -259.1°C (hanya helium mempunyai takat lebur dan didih yang lebih rendah). Suhu kritikal V. sangat rendah (-240°C), jadi pencairannya penuh dengan kesukaran yang besar; tekanan kritikal 12.8 kgf/cm 2 (12,8 atm), ketumpatan kritikal 0.0312 g/cm 3. Daripada semua gas, V. mempunyai kekonduksian haba yang paling besar, sama pada 0°C dan 1 atm 0,174 Sel/(m· KEPADA), iaitu 4.16 0 -4 cal/(Dengan· cm· °C). Haba tertentu V. pada 0°C dan 1 atmS hlm 14.208 10 3 j/(kg· KEPADA), iaitu 3.394 cal/(G· °C). V. sedikit larut dalam air (0.0182 ml/g pada 20°C dan 1 atm), tetapi baik - dalam banyak logam (ni, pt, pd, dll.), terutamanya dalam paladium (850 jilid setiap 1 jilid pd). Keterlarutan V. dalam logam adalah berkaitan dengan keupayaannya untuk meresap melaluinya; resapan melalui aloi karbon (contohnya, keluli) kadangkala disertai dengan pemusnahan aloi akibat interaksi karbon dengan karbon (yang dipanggil penyahkarbonan). Cecair V. sangat ringan (ketumpatan pada -253°C 0.0708 g/cm 3) dan bendalir (kelikatan pada - 253°C 13.8 manja).

Dalam kebanyakan sebatian, V. mempamerkan valens (lebih tepat, keadaan pengoksidaan) +1, seperti natrium dan lain-lain logam alkali; biasanya ia dianggap sebagai analog logam ini, memimpin 1 gram. sistem Mendeleev. Walau bagaimanapun, dalam hidrida logam ion B bercas negatif (keadaan pengoksidaan -1), iaitu hidrida na + h - dibina serupa dengan klorida na + cl -. Ini dan beberapa fakta lain (persamaan sifat fizikal V. dan halogen, keupayaan halogen untuk menggantikan V. dalam sebatian organik) memberikan alasan untuk mengelaskan V. juga dalam kumpulan VII jadual berkala. Dalam keadaan biasa, molekul V. agak sedikit aktif, secara langsung bergabung hanya dengan yang paling aktif bukan logam (dengan fluorin, dan dalam cahaya dengan klorin). Walau bagaimanapun, apabila dipanaskan, ia bertindak balas dengan banyak unsur. Atom V. telah meningkatkan aktiviti kimia berbanding molekul. Dengan oksigen, V. membentuk air: h 2 + 1 / 2 o 2 = h 2 o dengan pembebasan 285.937 10 3 J/mol, iaitu 68.3174 kcal/mol haba (pada 25°C dan 1 atm). Pada suhu biasa tindak balas berjalan dengan sangat perlahan, melebihi 550°C ia meletup. Had letupan campuran hidrogen-oksigen adalah (mengikut isipadu) dari 4 hingga 94% h2, dan bagi campuran hidrogen-udara - dari 4 hingga 74% h2 (campuran 2 isipadu h2 dan 1 isipadu O2 dipanggil gas letupan). V. digunakan untuk mengurangkan banyak logam, kerana ia mengeluarkan oksigen daripada oksidanya:

cuo +H 2 = cu + h 2 o,

fe 3 o 4 + 4j 2 = 3fe + 4j 2 o, dsb.

Dengan halogen, V. membentuk hidrogen halida, sebagai contoh:

h 2 + cl 2 = 2hcl.

Pada masa yang sama, V. meletup dengan fluorin (walaupun dalam gelap dan pada -252°C), bertindak balas dengan klorin dan bromin hanya apabila diterangi atau dipanaskan, dan dengan iodin hanya apabila dipanaskan. V. bertindak balas dengan nitrogen untuk membentuk ammonia: 3h 2 + n 2 = 2nh 3 hanya pada pemangkin dan pada suhu dan tekanan tinggi. Apabila dipanaskan, V. bertindak balas dengan kuat dengan sulfur: h 2 + s = h 2 s (hidrogen sulfida), lebih sukar dengan selenium dan telurium. V. boleh bertindak balas dengan karbon tulen tanpa mangkin hanya pada suhu tinggi: 2j 2 + C (amorfus) = ch 4 (metana). V. bertindak balas secara langsung dengan beberapa logam (alkali, alkali tanah, dll.), membentuk hidrida: h 2 + 2li = 2lih. Kepentingan praktikal yang besar ialah tindak balas hidrokarbon dengan karbon monoksida, di mana pelbagai sebatian organik terbentuk bergantung kepada suhu, tekanan dan mangkin, contohnya hcho, ch 3 oh, dll. Hidrokarbon tak tepu bertindak balas dengan hidrogen, bertukar menjadi tepu, untuk contoh:

c n h 2 n + h 2 = c n h 2 n +2.

Peranan V. dan sebatiannya dalam kimia sangat hebat. V. menentukan sifat berasid yang dipanggil asid protik. V. cenderung untuk membentuk dengan beberapa unsur yang dipanggil ikatan hidrogen, yang mempunyai pengaruh yang menentukan ke atas sifat banyak sebatian organik dan bukan organik.

resit . Jenis utama bahan mentah untuk pengeluaran perindustrian V. - gas mudah terbakar asli, gas ketuhar kok(cm. Kimia kok) Dan gas penapisan minyak, serta produk pengegasan bahan api pepejal dan cecair (terutamanya arang batu). V. juga diperoleh daripada air elektrolisis (di tempat yang mempunyai elektrik yang murah). Kaedah yang paling penting untuk menghasilkan hidrogen daripada gas asli ialah interaksi pemangkin hidrokarbon, terutamanya metana, dengan wap air (penukaran): ch 4 + h 2 o = co + 3h 2, dan pengoksidaan tidak lengkap hidrokarbon dengan oksigen: ch 4 + 1/2 o 2 = co + 2j 2 . Karbon monoksida yang terhasil juga mengalami penukaran: co + h 2 o = co 2 + h 2. V., diekstrak daripada gas asli, adalah yang paling murah. Kaedah yang sangat biasa untuk menghasilkan tenaga adalah daripada gas air dan wap-udara yang diperoleh dengan pengegasan arang batu. Proses ini berdasarkan penukaran karbon monoksida. Gas air mengandungi sehingga 50% h 2 dan 40% co; dalam gas wap-udara, sebagai tambahan kepada h 2 dan co, terdapat jumlah yang ketara n 2, yang digunakan bersama dengan V. yang terhasil untuk sintesis nh 3. V. diasingkan daripada gas ketuhar kok dan gas penapisan minyak dengan mengeluarkan baki komponen campuran gas, yang mencairkan lebih mudah daripada V. semasa penyejukan dalam. Elektrolisis air dijalankan DC, melewatinya melalui larutan koh atau naoh (asid tidak digunakan untuk mengelakkan kakisan peralatan keluli). Di makmal, V. diperoleh melalui elektrolisis air, serta oleh tindak balas antara zink dan asid hidroklorik. Walau bagaimanapun, lebih kerap mereka menggunakan kilang siap sedia V. dalam silinder.

Permohonan . DALAM skala industri V. mula diterima pada akhir abad ke-18. untuk pengisian belon. Pada masa ini, V. digunakan secara meluas dalam industri kimia, terutamanya untuk pengeluaran ammonia. Pengguna utama alkohol juga ialah pengeluaran metil dan alkohol lain, petrol sintetik (syntin), dan produk lain yang diperoleh melalui sintesis daripada alkohol dan karbon monoksida. V. digunakan untuk penghidrogenan bahan api cecair pepejal dan berat, lemak, dsb., untuk sintesis hCl, untuk rawatan hidro produk petroleum, dalam kimpalan dan pemotongan logam dengan nyalaan oksigen-hidrogen (suhu sehingga 2800° C) dan dalam kimpalan hidrogen atom(sehingga 4000°C). Isotop hidrogen, deuterium dan tritium, telah menemui aplikasi yang sangat penting dalam tenaga nuklear.

Lit.: Nekrasov B.V., Kursus kimia am, ed. ke-14, M., 1962; Remi G., Kursus kimia tak organik, trans. dari Jerman, jilid 1, M., 1963; Egorov A.P., Shereshevsky D.I., Shmanenkov I.V., Teknologi kimia am bahan bukan organik, ed. ke-4, M., 1964; Teknologi kimia am. Ed. S. I. Volfkovich, jilid 1, M., 1952; Lebedev V.V., Hidrogen, pengeluaran dan penggunaannya, M., 1958; Nalbandyan A. B., Voevodsky V. V., Mekanisme pengoksidaan dan pembakaran hidrogen, M. - L., 1949; Ensiklopedia kimia ringkas, jilid 1, M., 1961, hlm. 619-24.