سخنرانی 29
هیدروژن. آب
طرح کلی سخنرانی:
آب خواص شیمیایی و فیزیکی
نقش هیدروژن و آب در طبیعت
هیدروژن به عنوان یک عنصر شیمیایی
هیدروژن تنها عنصر است جدول تناوبی D.I. مندلیف که مکانش مبهم است. نماد شیمیایی آن دو بار در جدول تناوبی نوشته شده است: هر دو در گروه IA و VIIA. این با این واقعیت توضیح داده می شود که هیدروژن دارای تعدادی ویژگی است که آن را با فلزات قلیایی و هالوژن ها متحد می کند (جدول 14).
جدول 14
مقایسه خواص هیدروژن با خواص فلزات قلیایی و هالوژن
| شباهت با فلزات قلیایی | شباهت به هالوژن ها |
| در سطح انرژی بیرونی، اتم های هیدروژن حاوی یک الکترون هستند. هیدروژن یک عنصر است | قبل از تکمیل سطح بیرونی و تنها، اتم های هیدروژن مانند اتم های هالوژن فاقد یک الکترون هستند. |
| هیدروژن خاصیت کاهشی از خود نشان می دهد. در نتیجه اکسیداسیون، هیدروژن حالت اکسیداسیون را دریافت می کند که اغلب در ترکیبات آن +1 یافت می شود | هیدروژن مانند هالوژن در ترکیبات با فلزات قلیایی و قلیایی خاکی دارای حالت اکسیداسیون 1- است که موید آن است. خواص اکسید کننده. |
| فرض بر این است که هیدروژن جامد با یک شبکه کریستالی فلزی در فضا وجود دارد. | مانند فلوئور و کلر، هیدروژن نیز در شرایط عادی یک گاز است. مولکول های آن، مانند مولکول های هالوژن، دو اتمی هستند و از طریق یک پیوند غیرقطبی کووالانسی تشکیل می شوند. |
در طبیعت، هیدروژن به شکل سه ایزوتوپ با اعداد جرمی 1، 2 و 3 وجود دارد: پروتیوم 1 1 H، دوتریوم 2 1 D و تریتیوم 3 1 T. دو ایزوتوپ اول ایزوتوپ های پایدار و سومی رادیواکتیو است. پروتیوم در مخلوط طبیعی ایزوتوپ ها غالب است. نسبت های کمی بین ایزوتوپ های H: D: T 1: 1.46 10 -5: 4.00 10 -15 است.
ترکیبات ایزوتوپ های هیدروژن از نظر خواص با یکدیگر متفاوت هستند. به عنوان مثال، نقطه جوش و انجماد آب پروتیوم سبک (H 2 O) به ترتیب برابر با - 100 o C و 0 o C و آب دوتریوم (D 2 O) - 101.4 o C و 3.8 o C است. سرعت واکنش شامل آب سبک بالاتر از آب سنگین است.
در جهان، هیدروژن رایج ترین عنصر است - حدود 75٪ از جرم جهان یا بیش از 90٪ از تمام اتم های آن را تشکیل می دهد. هیدروژن بخشی از آب در مهمترین پوسته زمین شناسی زمین - هیدروسفر - است.
هیدروژن، همراه با کربن، تمام مواد آلی را تشکیل می دهد، یعنی بخشی از پوسته زنده زمین - زیست کره است. در پوسته زمین- لیتوسفر - محتوای جرمی هیدروژن تنها 0.88٪ است، یعنی در بین همه عناصر رتبه 9 را دارد. پوسته هوای زمین - جو حاوی کمتر از یک میلیونیم حجم کل است که سهم هیدروژن مولکولی است. این فقط در اتمسفر بالایی یافت می شود.
تولید و استفاده از هیدروژن
هیدروژن اولین بار در قرن شانزدهم توسط پزشک و کیمیاگر قرون وسطایی پاراسلسوس و با فرو بردن یک صفحه آهنی در اسید سولفوریکو در سال 1766، شیمیدان انگلیسی هنری کاوندیش ثابت کرد که هیدروژن نه تنها از برهمکنش آهن با اسید سولفوریک، بلکه سایر فلزات با اسیدهای دیگر نیز تولید می شود. کاوندیش همچنین برای اولین بار خواص هیدروژن را شرح داد.
در آزمایشگاه شرایط، هیدروژن به دست می آید:
1. برهمکنش فلزات با اسید:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2. برهمکنش فلزات قلیایی و قلیایی خاکی با آب
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
در صنعت هیدروژن به روش های زیر بدست می آید:
1. الکترولیز محلولهای آبی نمکها، اسیدها و قلیاها.متداول ترین راه حل نمک سفره:
2NaCl + 2H 2 O → el. جریان H 2 + Cl 2 + NaOH
2. کاهش بخار آب با کک داغ:
C + H 2 O → t CO + H 2
مخلوط حاصل از مونوکسید کربن و هیدروژن نامیده می شود گاز آب (گاز سنتز)و به طور گسترده برای سنتز محصولات شیمیایی مختلف (آمونیاک، متانول و غیره) استفاده می شود. برای جداسازی هیدروژن از گاز آب، مونوکسید کربن با گرم شدن با بخار آب به دی اکسید کربن تبدیل می شود:
CO + H 2 → t CO 2 + H 2
3. حرارت دادن متاندر حضور بخار آب و اکسیژن. این روش در حال حاضر روش اصلی است:
2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2
هیدروژن به طور گسترده ای برای موارد زیر استفاده می شود:
1. سنتز صنعتی آمونیاک و کلرید هیدروژن.
2. بدست آوردن متانول و سوخت مایع مصنوعی به عنوان بخشی از گاز سنتز (2 حجم هیدروژن و 1 حجم CO).
3. عملیات هیدرولیکی و هیدروکراکینگ فراکسیون های نفتی.
4. هیدروژنه کردن چربی های مایع.
5. برش و جوش فلزات.
6. بدست آوردن تنگستن، مولیبدن و رنیم از اکسیدهای آنها.
7. موتورهای فضایی به عنوان سوخت.
8. در ترمو راکتورهای هسته ایاز ایزوتوپ های هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود.
فیزیکی و خواص شیمیاییهیدروژن
هیدروژن گازی بی رنگ، بی مزه و بی بو است. تراکم در شماره 0.09 گرم در لیتر (14 برابر سبک تر از هوا). هیدروژن در آب کم محلول است (فقط 2 حجم گاز در هر 100 حجم آب)، اما به خوبی توسط فلزات d - نیکل، پلاتین، پالادیوم (حداکثر 900 حجم هیدروژن در یک حجم پالادیوم حل می شود) جذب می شود.
در واکنش های شیمیایی، هیدروژن هم خاصیت کاهنده و هم اکسید کننده از خود نشان می دهد. اغلب، هیدروژن به عنوان یک عامل کاهنده عمل می کند.
1. تعامل با غیر فلزات. هیدروژن ترکیبات هیدروژنی فرار را با نافلزات تشکیل می دهد (به سخنرانی 25 مراجعه کنید).
با هالوژنسرعت و شرایط واکنش از فلوئور به ید متفاوت است: با فلوئور، هیدروژن حتی در تاریکی واکنش انفجاری می دهد، با کلر واکنش کاملا آرام و با تابش کمی با نور انجام می شود، با برم و ید واکنش ها برگشت پذیر هستند و تنها در صورت گرم شدن رخ می دهند:
H 2 + F 2 → 2HF
H 2 + Cl 2 → hν 2HCl
H 2 + I 2 → t 2HI
با اکسیژنو هیدروژن گوگرد با حرارت کمی واکنش نشان می دهد. مخلوطی از اکسیژن و هیدروژن به نسبت 1:2 نامیده می شود گاز انفجاری:
H 2 + O 2 → t H 2 O
H 2 + S → t H 2 S
با نیتروژن، فسفر و کربنواکنش تحت گرما، فشار بالا و در حضور یک کاتالیزور رخ می دهد. واکنش ها برگشت پذیر هستند:
3H 2 + N 2 → گربه، p، t2NH 3
2H 2 + 3P → cat., p, t3PH 3
H 2 + C → cat., p, t CH 4
2. تعامل با مواد پیچیده.در دماهای بالا، هیدروژن فلزات را از اکسیدهای آنها کاهش می دهد:
CuO + H 2 → t Cu + H 2 O
3. در برهمکنش با فلزات قلیایی و قلیایی خاکیهیدروژن دارای خواص اکسید کننده است:
2Na + H 2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
4. تعامل با مواد آلی.هیدروژن به طور فعال با بسیاری از مواد آلی تعامل دارد. چنین واکنش هایی با جزئیات بیشتر در بخش سوم مجموعه "شیمی آلی" مورد بحث قرار خواهد گرفت.
ویژگی های عناصر s
بلوک عناصر s شامل 13 عنصر است که مشترک آنها ایجاد یک سطح انرژی خارجی در اتم های زیرسطح s آنها است.
اگرچه هیدروژن و هلیوم به عنوان عناصر s طبقه بندی می شوند، اما به دلیل ماهیت خاص خواص آنها، باید آنها را جداگانه در نظر گرفت. هیدروژن، سدیم، پتاسیم، منیزیم، کلسیم عناصر حیاتی هستند.
ترکیبات عناصر s به نمایش گذاشته می شود الگوهای عمومیدر خواص، که با تشابه توضیح داده می شود ساختار الکترونیکیاتم های آنها تمام الکترون های بیرونی الکترون های ظرفیتی هستند و در شکل گیری شرکت می کنند پیوندهای شیمیایی. بنابراین حداکثر حالت اکسیداسیون این عناصر در ترکیبات برابر است با شمارهالکترون در لایه بیرونی و بر این اساس برابر با تعداد گروهی است که عنصر در آن قرار دارد. حالت اکسیداسیون فلزات عنصر s همیشه مثبت است. ویژگی دیگر این است که پس از جدا شدن الکترون های لایه بیرونی، یونی با پوسته گاز نجیب باقی می ماند. هنگام افزایش تعداد ترتیبی یک عنصر، شعاع اتمیانرژی یونیزاسیون کاهش می یابد (از 5.39 eV y Li به 3.83 eV y Fr)، و فعالیت کاهشی عناصر افزایش می یابد.
اکثریت قریب به اتفاق ترکیبات عناصر s بی رنگ هستند (برخلاف ترکیبات عناصر d)، زیرا انتقال الکترون های d از سطوح انرژی کم به سطوح انرژی بالاتر، که باعث رنگ می شود، مستثنی شده است.
ترکیبات عناصر گروه IA - IIA نمک های معمولی هستند که در یک محلول آبی تقریباً به طور کامل به یون تجزیه می شوند و در معرض هیدرولیز کاتیونی نیستند (به جز نمک های Be 2 + و Mg 2 +).
کووالانسی یونی هیدروژن هیدرید
کمپلکس شدن برای یون های عنصر s معمولی نیست. کمپلکس های کریستالی عناصر s با لیگاندهای H 2 O - هیدرات های کریستالی از زمان های قدیم شناخته شده است ، به عنوان مثال: Na 2 B 4 O 7 10H 2 O-borax ، KAl (SO 4) 2 12H 2 O-alum. مولکول های آب در هیدرات های کریستالی در اطراف کاتیون گروه بندی می شوند، اما گاهی اوقات کاملاً آنیون را احاطه می کنند. به دلیل بار یونی کوچک و شعاع یونی بزرگ، فلزات قلیایی کمتر مستعد تشکیل کمپلکس‌ها از جمله کمپلکس‌های آبی هستند. به عنوان عوامل پیچیده در ترکیبات پیچیدهیون های لیتیوم، بریلیم و منیزیم پایداری کمی دارند.
هیدروژن. خواص شیمیایی هیدروژن
هیدروژن سبک ترین عنصر s است. او پیکربندی الکترونیکیدر حالت پایه 1S 1. یک اتم هیدروژن از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. ویژگی هیدروژن این است که الکترون ظرفیت آن مستقیماً در حوزه عمل قرار دارد هسته اتمی. هیدروژن لایه الکترونی میانی ندارد، بنابراین هیدروژن را نمی توان آنالوگ الکترونیکی فلزات قلیایی در نظر گرفت.
مانند فلزات قلیایی، هیدروژن یک عامل کاهنده است و حالت اکسیداسیون +1 را نشان می دهد. طیف های هیدروژن مشابه طیف های فلزات قلیایی است. چیزی که هیدروژن را شبیه به فلزات قلیایی می‌کند، توانایی آن در تولید یون H+ هیدراته با بار مثبت در محلول‌ها است.
مانند یک هالوژن، اتم هیدروژن یک الکترون از دست داده است. این وجود یون هیدرید H را تعیین می کند.
علاوه بر این، مانند اتم های هالوژن، اتم های هیدروژن با انرژی یونیزاسیون بالایی (1312 کیلوژول بر مول) مشخص می شوند. بنابراین، هیدروژن جایگاه ویژه ای در جدول تناوبی عناصر دارد.
هیدروژن فراوان ترین عنصر در کیهان است که نیمی از جرم خورشید و بیشتر ستارگان را تشکیل می دهد.
در خورشید و سایر سیارات، هیدروژن در حالت اتمی و در محیط بین ستاره ای به شکل مولکول های دواتمی نیمه یونیزه شده است.
هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است. پروتیوم 1 H، دوتریوم 2 D و تریتیوم 3 T و تریتیوم یک ایزوتوپ رادیواکتیو است.
مولکول های هیدروژن با استحکام بالا و قطبش پذیری کم، اندازه کوچک و جرم کم متمایز می شوند و تحرک بالایی دارند. بنابراین، هیدروژن دارای نقطه ذوب بسیار پایین (259.2- درجه سانتیگراد) و نقطه جوش (252.8- درجه سانتیگراد) است. به دلیل انرژی تفکیک بالا (436 کیلوژول بر مول)، تجزیه مولکول ها به اتم ها در دمای بالاتر از 2000 درجه سانتی گراد اتفاق می افتد. هیدروژن گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه است. دارای چگالی کم - 8.99·10 -5 گرم بر سانتی متر در فشارهای بسیار بالا، هیدروژن به حالت فلزی تبدیل می شود. اعتقاد بر این است که در سیارات دور منظومه شمسی- در مشتری و زحل، هیدروژن در حالت فلزی است. این فرض وجود دارد که ترکیب هسته زمین شامل هیدروژن فلزی نیز می شود، جایی که در فشار فوق العاده بالا ایجاد شده توسط گوشته زمین یافت می شود.
خواص شیمیایی. در دمای اتاقهیدروژن مولکولی تنها با فلوئور واکنش می دهد، هنگامی که با نور تابش می شود - با کلر و برم، هنگامی که با O 2، S، Se، N 2، C، I2 گرم می شود.
واکنش هیدروژن با اکسیژن و هالوژن توسط یک مکانیسم رادیکال انجام می شود.
برهمکنش با کلر نمونه ای از واکنش های بدون انشعاب در هنگام تابش نور (فعال سازی فوتوشیمیایی) یا هنگام گرم شدن (فعال سازی حرارتی) است.
Сl+ H2 = HCl + H (توسعه زنجیره)
H+ Cl 2 = HCl + Cl
انفجار یک گاز منفجر کننده - مخلوط هیدروژن و اکسیژن - نمونه ای از فرآیند زنجیره شاخه ای است، زمانی که شروع زنجیره شامل نه یک، بلکه چندین مرحله است:
H 2 + O 2 = 2OH
H + O 2 = OH + O
O + H 2 = OH + H
OH + H 2 = H 2 O + H
اگر با هیدروژن خالص کار کنید، می توان از فرآیند انفجار جلوگیری کرد.
از آنجایی که هیدروژن با حالت اکسیداسیون مثبت (1+) و منفی (-1) مشخص می‌شود، هیدروژن می‌تواند هم خاصیت کاهنده و هم اکسیدکننده از خود نشان دهد.
خواص کاهنده هیدروژن در تعامل با غیر فلزات خود را نشان می دهد:
H 2 (g) + Cl 2 (g) = 2HCl (g)،
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g)،
این واکنش ها با آزاد شدن مقدار زیادی گرما ادامه می یابد که نشان دهنده انرژی (استحکام) بالای پیوندهای H-Cl، H-O است. بنابراین، هیدروژن خواص کاهشی نسبت به بسیاری از اکسیدها و هالیدها نشان می دهد، به عنوان مثال:
این اساس استفاده از هیدروژن به عنوان یک عامل کاهنده برای به دست آوردن است مواد سادهاز اکسیدهای هالید
یک عامل احیا کننده قوی تر، هیدروژن اتمی است. از تخلیه الکترون مولکولی در شرایط فشار کم تشکیل می شود.
هیدروژن در لحظه رها شدن در اثر برهمکنش یک فلز با یک اسید، فعالیت کاهنده بالایی دارد. این هیدروژن CrCl 3 را به CrCl 2 کاهش می دهد:
2CrCl 3 + 2HCl + 2Zn = 2CrCl 2 + 2ZnCl 2 + H 2 ^
برهمکنش هیدروژن با اکسید نیتروژن (II) مهم است:
2NO + 2H2 = N2 + H2O
در سیستم های تصفیه برای تولید اسید نیتریک استفاده می شود.
هیدروژن به عنوان یک عامل اکسید کننده با فلزات فعال تعامل می کند:
در این مورد، هیدروژن مانند یک هالوژن رفتار می کند و شبیه هالیدها تشکیل می شود هیدریدها.
هیدریدهای عناصر s گروه I ساختار یونی از نوع NaCl دارند. از نظر شیمیایی، هیدریدهای یونی مانند ترکیبات اساسی رفتار می کنند.
هیدریدهای کووالانسی شامل هیدریدهای عناصر غیرفلزی هستند که الکترونگاتیو کمتری نسبت به خود هیدروژن دارند، به عنوان مثال، هیدریدهای ترکیب SiH 4، BH 3، CH 4. توسط طبیعت شیمیاییهیدریدهای غیر فلزی ترکیبات اسیدی هستند.
یکی از ویژگی های هیدرولیز هیدریدها آزادسازی هیدروژن است که واکنش از طریق یک مکانیسم ردوکس انجام می شود.
هیدرید پایه
هیدرید اسید
به دلیل آزاد شدن هیدروژن، هیدرولیز به طور کامل و غیر قابل برگشت انجام می شود (?H<0, ?S>0). در این حالت، هیدریدهای بازی یک قلیایی و هیدریدهای اسیدی یک اسید تشکیل می دهند.
پتانسیل استاندارد سیستم B است. بنابراین، یون H یک عامل احیا کننده قوی است.
در آزمایشگاه، هیدروژن از واکنش روی با اسید سولفوریک 20 درصد در دستگاه کیپ تولید می شود.
روی فنی اغلب حاوی ناخالصی های کوچکی از آرسنیک و آنتیموان است که در زمان انتشار به گازهای سمی توسط هیدروژن کاهش می یابد: آرسین SbH 3 و stabine SbH این هیدروژن می تواند شما را مسموم کند. با روی خالص شیمیایی، واکنش به دلیل اضافه ولتاژ به کندی پیش می‌رود و جریان هیدروژن خوبی به دست نمی‌آید. سرعت این واکنش با افزودن کریستال های سولفات مس افزایش می یابد.
هیدروژن خالص بیشتری از اثر قلیایی بر روی سیلیکون یا آلومینیوم هنگام گرم شدن تشکیل می شود:
در صنعت، هیدروژن خالص با الکترولیز آب حاوی الکترولیت (Na 2 SO 4، Ba (OH) 2) تولید می شود.
مقدار زیادی هیدروژن به عنوان یک محصول جانبی در طی الکترولیز محلول آبی کلرید سدیم با دیافراگمی که فضای کاتد و آند را جدا می کند، تولید می شود.
بیشترین مقدار هیدروژن از گاز شدن سوخت جامد (آنتراسیت) با بخار آب فوق گرم بدست می آید:
یا با تبدیل گاز طبیعی(متان) با بخار آب فوق گرم:
مخلوط حاصل (گاز سنتز) در تولید بسیاری از ترکیبات آلی استفاده می شود. بازده هیدروژن را می توان با عبور گاز سنتز از روی کاتالیزور افزایش داد که CO2 را به CO 2 تبدیل می کند.
برنامه.مقدار زیادی هیدروژن در سنتز آمونیاک مصرف می شود. برای به دست آوردن کلرید هیدروژن و اسید هیدروکلریکبرای هیدروژناسیون چربی های گیاهی، برای بازیابی فلزات (Mo، W، Fe) از اکسیدها. شعله هیدروژن-اکسیژن برای جوشکاری، برش و ذوب فلزات استفاده می شود.
هیدروژن مایع به عنوان سوخت موشک استفاده می شود. سوخت هیدروژنی است سازگار با محیط زیستو انرژی بر آن بیشتر از بنزین است، بنابراین در آینده می تواند جایگزین فرآورده های نفتی شود. در حال حاضر، چند صد خودرو در جهان از هیدروژن نیرو می گیرند. مشکلات انرژی هیدروژن مربوط به ذخیره و انتقال هیدروژن است. هیدروژن در تانکرهای زیرزمینی در حالت مایع و تحت فشار 100 اتمسفر ذخیره می شود. حمل و نقل مقادیر زیادی هیدروژن مایع خطرات جدی دارد.
هیدروژن (H) یک عنصر شیمیایی بسیار سبک است که 0.9٪ وزنی در پوسته زمین و 11.19٪ در آب دارد.
ویژگی های هیدروژن
در بین گازها از نظر سبکی اولین است. در شرایط عادیبی مزه، بی رنگ و کاملا بی بو. هنگامی که وارد ترموسفر می شود به دلیل وزن کم خود به فضا پرواز می کند.
در کل جهان، این عنصر پرتعدادترین عنصر شیمیایی (75٪ از کل جرم مواد) است. به طوری که بسیاری از ستارگان در فضای بیرونی به طور کامل از آن ساخته شده اند. مثلا خورشید. جزء اصلی آن هیدروژن است. و گرما و نور نتیجه آزاد شدن انرژی هنگام ادغام هسته های یک ماده هستند. همچنین در فضا ابرهای کاملی از مولکول های آن در اندازه ها، چگالی ها و دماهای مختلف وجود دارد.
خواص فیزیکی
دما و فشار بالا به طور قابل توجهی کیفیت آن را تغییر می دهد، اما در شرایط عادی:
در مقایسه با سایر گازها رسانایی حرارتی بالایی دارد.
غیر سمی و کم محلول در آب،
با چگالی 0.0899 گرم در لیتر در دمای 0 درجه سانتی گراد و 1 اتمسفر،
در دمای -252.8 درجه سانتیگراد به مایع تبدیل می شود
در 259.1- درجه سانتی گراد سخت می شود،
گرمای ویژه احتراق 120.9.106 J/kg.
تبدیل شدن به مایع یا حالت جامدمورد نیاز است فشار خون بالاو دمای بسیار پایین در حالت مایع، سیال و سبک است.
خواص شیمیایی
تحت فشار و با سرد شدن (252.87- درجه سانتیگراد)، هیدروژن حالت مایع به دست می آورد که از نظر وزن سبک تر از هر آنالوگ است. فضای کمتری در آن نسبت به حالت گازی اشغال می کند.
این یک غیر فلز معمولی است. در آزمایشگاه ها از واکنش فلزات (مانند روی یا آهن) با اسیدهای رقیق تولید می شود. در شرایط عادی غیر فعال است و فقط با غیر فلزات فعال واکنش نشان می دهد. هیدروژن می تواند اکسیژن را از اکسیدها جدا کند و فلزات را از ترکیبات کاهش دهد. آن و مخلوط های آن با عناصر خاصی پیوند هیدروژنی تشکیل می دهند.
این گاز در اتانول و در بسیاری از فلزات به ویژه پالادیوم بسیار محلول است. نقره آن را حل نمی کند. هیدروژن می تواند در حین احتراق در اکسیژن یا هوا و در هنگام تعامل با هالوژن ها اکسید شود.
هنگامی که با اکسیژن ترکیب می شود، آب تشکیل می شود. اگر دما نرمال باشد، واکنش به کندی پیش می رود، اگر بالاتر از 550 درجه سانتیگراد باشد، منفجر می شود (به گاز منفجر کننده تبدیل می شود).
یافتن هیدروژن در طبیعت
اگرچه مقدار زیادی هیدروژن در سیاره ما وجود دارد، شکل خالصپیدا کردن آن آسان نیست مقدار کمی را می توان در طول فوران های آتشفشانی، در طول تولید نفت و جایی که مواد آلی تجزیه می شود، یافت.
بیش از نیمی از مقدار کل در ترکیب با آب است. همچنین در ساختار نفت، خاک رس های مختلف، گازهای قابل اشتعال، حیوانات و گیاهان نیز گنجانده شده است (حضور در هر سلول زنده 50٪ بر اساس تعداد اتم ها است).
چرخه هیدروژن در طبیعت
هر ساله مقدار عظیمی (میلیاردها تن) از بقایای گیاهی در آب و خاک تجزیه می شود و این تجزیه توده عظیمی از هیدروژن را در جو آزاد می کند. همچنین در طی هر گونه تخمیر ناشی از باکتری، احتراق آزاد می شود و همراه با اکسیژن در چرخه آب شرکت می کند.
کاربردهای هیدروژن
این عنصر به طور فعال توسط بشر در فعالیت های خود استفاده می شود، بنابراین ما یاد گرفته ایم که آن را در مقیاس صنعتی برای موارد زیر بدست آوریم:
هواشناسی، تولید مواد شیمیایی؛
تولید مارگارین؛
به عنوان سوخت موشک (هیدروژن مایع)؛
صنعت برق برای خنک کننده ژنراتورهای الکتریکی؛
جوشکاری و برش فلزات.
هیدروژن زیادی در تولید بنزین مصنوعی (برای بهبود کیفیت سوخت کم کیفیت)، آمونیاک، کلرید هیدروژن، الکل ها و مواد دیگر استفاده می شود. انرژی هسته ایبه طور فعال از ایزوتوپ های خود استفاده می کند.
داروی "پراکسید هیدروژن" به طور گسترده در متالورژی، صنایع الکترونیک، تولید خمیر و کاغذ، برای سفید کردن پارچه های کتانی و پنبه ای، برای تولید رنگ مو و لوازم آرایشی، پلیمرها و در پزشکی برای درمان زخم ها استفاده می شود.
ماهیت "منفجره" این گاز می تواند به یک سلاح مرگبار تبدیل شود - بمب هیدروژنی. انفجار آن با انتشار مقدار زیادی همراه است مواد رادیواکتیوو برای همه جانداران ویرانگر است.
تماس بین هیدروژن مایع و پوستسرمازدگی شدید و دردناک را تهدید می کند.
رایج ترین عنصر در کیهان هیدروژن است. در مورد ستارگان، به شکل هسته - پروتون - و ماده ای برای فرآیندهای گرما هسته ای است. تقریباً نیمی از جرم خورشید نیز از مولکول های H 2 تشکیل شده است. محتوای آن در پوسته زمین به 0.15٪ می رسد و اتم ها در نفت، گاز طبیعی و آب وجود دارند. همراه با اکسیژن، نیتروژن و کربن، یک عنصر آلی است که بخشی از همه موجودات زنده روی زمین است. در مقاله ما به بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی هیدروژن می پردازیم، زمینه های اصلی کاربرد آن در صنعت و اهمیت آن در طبیعت را تعیین می کنیم.
موقعیت در جدول تناوبی عناصر شیمیایی مندلیف
اولین عنصری که جدول تناوبی را کشف کرد، هیدروژن است. جرم اتمی آن 1.0079 است. دو ایزوتوپ پایدار (پروتیم و دوتریوم) و یک ایزوتوپ رادیواکتیو (تریتیوم) دارد. خواص فیزیکیبا مکان نافلز در جدول تعیین می شود عناصر شیمیایی. در شرایط عادی، هیدروژن (فرمول آن H2 است) گازی است که تقریباً 15 برابر سبکتر از هوا است. ساختار اتم عنصر منحصر به فرد است: فقط از یک هسته و یک الکترون تشکیل شده است. مولکول این ماده دو اتمی است. شدت انرژی آن بسیار بالا است - 431 کیلوژول. این موضوع فعالیت شیمیایی کم این ترکیب را در شرایط عادی توضیح می دهد. فرمول الکترونیکی هیدروژن عبارت است از: H:H.
این ماده همچنین دارای تعدادی خواص است که در بین سایر غیر فلزات مشابهی ندارد. بیایید به برخی از آنها نگاه کنیم.
حلالیت و هدایت حرارتی
فلزات گرما را به بهترین شکل هدایت می کنند، اما هیدروژن از نظر رسانایی گرمایی به آنها نزدیک است. توضیح این پدیده در سرعت بسیار بالای حرکت حرارتی مولکول های نور یک ماده نهفته است، بنابراین در اتمسفر هیدروژن یک جسم گرم شده 6 برابر سریعتر از هوا خنک می شود. این ترکیب می تواند بسیار محلول در فلزات باشد، برای مثال، تقریباً 900 حجم هیدروژن توسط یک حجم پالادیوم جذب می شود. فلزات می توانند با H2 ترکیب شوند واکنش های شیمیایی، که در آن خواص اکسید کننده هیدروژن آشکار می شود. در این حالت هیدریدها تشکیل می شوند:
2Na + H 2 = 2 NaH.
در این واکنش، اتم‌های عنصر الکترون‌های ذرات فلز را می‌پذیرند و به آنیون‌هایی با یک بار منفی تبدیل می‌شوند. ماده ساده H2 در این مورد یک عامل اکسید کننده است که معمولاً برای آن معمول نیست.
هیدروژن به عنوان یک عامل کاهنده
چیزی که فلزات و هیدروژن را متحد می کند نه تنها رسانایی حرارتی بالای آنهاست، بلکه توانایی اتم های آنها در فرآیندهای شیمیاییالکترون های خودش را رها کند، یعنی اکسید شود. به عنوان مثال، اکسیدهای اساسیبا هیدروژن واکنش دهد واکنش ردوکس با آزاد شدن فلز خالص و تشکیل مولکول های آب به پایان می رسد:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
برهمکنش یک ماده با اکسیژن هنگام گرم شدن نیز منجر به تولید مولکول های آب می شود. این فرآیند گرمازا است و با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی حرارتی همراه است. اگر مخلوط گازی از H 2 و O 2 به نسبت 2:1 واکنش نشان دهد، به این دلیل نامیده می شود که هنگام مشتعل شدن منفجر می شود:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
آب نقش حیاتی در تشکیل هیدروسفر، آب و هوا و آب و هوای زمین دارد. گردش عناصر در طبیعت را تضمین می کند و از تمام فرآیندهای زندگی موجوداتی که در سیاره ما ساکن هستند پشتیبانی می کند.
تعامل با غیر فلزات
مهمترین خواص شیمیایی هیدروژن واکنش آن با عناصر غیرفلزی است. در شرایط عادی، آنها از نظر شیمیایی کاملاً بی اثر هستند، بنابراین این ماده فقط می تواند با هالوژن ها، به عنوان مثال با فلوئور یا کلر، که فعال ترین در بین تمام غیر فلزات هستند، واکنش نشان دهد. بنابراین، مخلوطی از فلوئور و هیدروژن در تاریکی یا در سرما، و با کلر - هنگام گرم شدن یا در نور منفجر می شود. محصولات واکنش هالیدهای هیدروژن هستند که محلول های آبی آنها به نام اسیدهای فلوراید و کلرید شناخته می شوند. C در دمای 450-500 درجه، فشار 30-100 میلی پاسکال و در حضور یک کاتالیزور برهمکنش می‌کند:
N2 + 3H2 ⇔ p، t، kat ⇔ 2NH3.
خواص شیمیایی در نظر گرفته شده هیدروژن برای صنعت از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان مثال، شما می توانید یک محصول شیمیایی ارزشمند - آمونیاک را به دست آورید. این ماده خام اصلی برای تولید اسید نیترات و کودهای نیتروژنی است: اوره، نیترات آمونیوم.
مواد آلی
بین کربن و هیدروژن منجر به تولید ساده ترین هیدروکربن - متان می شود:
C + 2H 2 = CH 4.
ماده مهم ترین است بخش جدایی ناپذیرطبیعی و به عنوان یک نوع با ارزش سوخت و مواد خام برای صنعت سنتز آلی استفاده می شود.
در شیمی ترکیبات کربن، این عنصر بخشی از تعداد زیادی از مواد است: آلکان ها، آلکن ها، کربوهیدرات ها، الکل ها و غیره. بسیاری از واکنش های ترکیبات آلی با مولکول های H2 شناخته شده است. آنها یک نام مشترک دارند - هیدروژناسیون یا هیدروژناسیون. بنابراین، آلدئیدها را می توان با هیدروژن به الکل احیا کرد. هیدروکربن های غیر اشباع- به آلکان ها به عنوان مثال، اتیلن به اتان تبدیل می شود:
C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6.
مهم است اهمیت عملیدارای خواص شیمیایی هیدروژن، مانند هیدروژنه کردن روغن های مایع: آفتابگردان، ذرت، کلزا. این منجر به تولید چربی جامد - گوشت خوک می شود که در تولید گلیسیرین، صابون، استئارین و مارگارین سخت استفاده می شود. برای بهبود ظاهرو طعم محصول غذاییشیر، چربی های حیوانی، قند و ویتامین ها به آن اضافه می شود.
در مقاله خود به بررسی خواص هیدروژن پرداختیم و به نقش آن در طبیعت و زندگی انسان پی بردیم.
کالج فناوری و طراحی صنعت نور مینسک
چکیده
رشته: شیمی
موضوع: هیدروژن و ترکیبات آن
تهیه شده توسط:دانش آموز سال اول 343 گروه
ویسکوپ النا
بررسی شد: Alyabyeva N.V.
مینسک 2009
ساختار اتم هیدروژن در جدول تناوبی
حالت های اکسیداسیون
شیوع در طبیعت
هیدروژن به عنوان یک ماده ساده
ترکیبات هیدروژنی
مراجع
ساختار اتم هیدروژن در جدول تناوبی
اولین عنصر جدول تناوبی (دوره اول، شماره سریال 1). این قیاس کامل با سایر عناصر شیمیایی ندارد و به هیچ گروهی تعلق ندارد، بنابراین در جداول به طور مشروط در گروه IA و/یا گروه VIIA قرار می گیرد.
اتم هیدروژن کوچکترین و سبکترین اتم در بین تمام عناصر است. فرمول الکترونیکی اتم 1s 1 است. شکل معمول وجود یک عنصر در حالت آزاد، یک مولکول دو اتمی است.
حالت های اکسیداسیون
اتم هیدروژن در ترکیباتی با عناصر الکترونگاتیو بیشتر حالت اکسیداسیون 1+ را نشان می دهد، به عنوان مثال HF، H 2 O و غیره. و در ترکیبات دارای هیدریدهای فلزی، حالت اکسیداسیون اتم هیدروژن -1 است، به عنوان مثال NaH، CaH. 2 و غیره. دارای یک مقدار الکترونگاتیوی متوسط بین فلزات معمولی و غیر فلزات است. قابلیت احیای کاتالیزوری در حلال های آلی مانند اسید استیکیا الکل، بسیاری از ترکیبات آلی: ترکیبات غیراشباع به ترکیبات اشباع، برخی از ترکیبات سدیم به آمونیاک یا آمین ها.
شیوع در طبیعت
هیدروژن طبیعی از دو ایزوتوپ پایدار تشکیل شده است - پروتیوم 1 H، دوتریوم 2 H و تریتیوم 3 H. دوتریوم در غیر این صورت به عنوان D و تریتیوم به عنوان T تعیین می شود. ترکیبات مختلفی ممکن است، به عنوان مثال NT، HD، TD، H2، D2. ، T2. هیدروژن در طبیعت بیشتر به شکل ترکیبات مختلف با گوگرد (H 2 S)، اکسیژن (به شکل آب)، کربن، نیتروژن و کلر وجود دارد. کمتر به شکل ترکیباتی با فسفر، ید، برم و عناصر دیگر. این بخشی از همه موجودات گیاهی و جانوری، نفت، زغال سنگ فسیلی، گاز طبیعی، تعدادی از مواد معدنی و سنگ ها است. در حالت آزاد، به ندرت در مقادیر کم یافت می شود - در گازهای آتشفشانی و محصولات تجزیه بقایای آلی. هیدروژن فراوان ترین عنصر در کیهان است (حدود 75 درصد). این عنصر از خورشید و بیشتر ستارگان و همچنین سیارات مشتری و زحل تشکیل شده است که عمدتاً از هیدروژن تشکیل شده اند. در برخی از سیارات، هیدروژن می تواند به صورت جامد وجود داشته باشد.
هیدروژن به عنوان یک ماده ساده
یک مولکول هیدروژن از دو اتم تشکیل شده است که توسط یک پیوند کووالانسی غیرقطبی به هم متصل شده اند. خواص فیزیکی- گاز بدون رنگ و بو. این گاز سریعتر از سایر گازها در فضا پخش می شود، از منافذ کوچک عبور می کند و در دمای بالا به راحتی به فولاد و سایر مواد نفوذ می کند. هدایت حرارتی بالایی دارد.
خواص شیمیایی. در حالت معمولی خود در دماهای پایین غیرفعال است و بدون حرارت دادن با فلوئور و کلر واکنش نشان می دهد.
H 2 + F 2 2HF H 2 + Cl 2 hv 2HClتعامل فعال‌تری با غیر فلزات نسبت به فلزات دارد.
هنگام تعامل با مواد مختلفمی تواند هم خاصیت اکسید کننده و هم خاصیت کاهنده را از خود نشان دهد.
ترکیبات هیدروژنی
یکی از ترکیبات هیدروژنی هالوژن است. آنها زمانی تشکیل می شوند که هیدروژن با عناصر گروه VIIA ترکیب شود. HF، HCl، HBr و HI گازهای بی رنگی هستند که در آب بسیار محلول هستند.
Cl 2 + H 2 OHClO + HCl. آب HClO-کلراز آنجایی که HBr و HI عوامل کاهنده معمولی هستند، نمی توان آنها را با واکنش تبادلی مانند HCl به دست آورد.
CaF 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2HF
آب رایج ترین ترکیب هیدروژنی در طبیعت است.
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
نه رنگ داره نه طعم و نه بو. خیلی الکترولیت ضعیف، اما به طور فعال با بسیاری از فلزات و غیر فلزات، اکسیدهای بازی و اسیدی واکنش می دهد.
2H 2 O + 2Na = 2NaOH + H 2
H 2 O + BaO = Ba(OH) 2
3H 2 O + P 2 O 5 = 2H 3 PO 4
آب سنگین (D 2 O) گونه ایزوتوپی آب است. حلالیت مواد در آب سنگین بسیار کمتر از آب معمولی است. آب سنگین سمی است زیرا فرآیندهای بیولوژیکی موجودات زنده را کند می کند. در طول الکترولیز مکرر آب در بقایای الکترولیز انباشته می شود. به عنوان خنک کننده و تعدیل کننده نوترون در راکتورهای هسته ای استفاده می شود.
هیدریدها برهمکنش هیدروژن با فلزات (در دمای بالا) یا غیرفلزات الکترونگاتیو کمتر از هیدروژن هستند.
Si + 2H 2 = SiH 4
خود هیدروژن در نیمه اول قرن شانزدهم کشف شد. پاراسلسوس. در سال 1776، G. Cavendish برای اولین بار در 1783-1787 خواص آن را بررسی کرد، A. Lavoisier نشان داد که هیدروژن بخشی از آب است، آن را در فهرست عناصر شیمیایی قرار داد و نام "هیدروژن" را پیشنهاد کرد.
مراجع
1. م.ب. ولوویچ، O.F. کابردین، ر.آ. لیدین، L.Yu. آلیکبروا، V.S. روخلوف، وی.بی. پیاتونین، یو.آ. Simagin, S.V. Simonovich/Schoolchildren’s Handbook/Moscow "AST-PRESS BOOK" 2003.
2. آی.ال. Knunyats / دایره المعارف شیمیایی / مسکو "دایره المعارف شوروی" 1988
3. I.E. شیمانوویچ / شیمی 11 / مینسک "آسوتا مردم" 2008
4. F. Cotton، J. Wilkinson/Modern شیمی معدنی/ مسکو "صلح" 1969