Latar belakang sejarah
Hidrogen merupakan unsur pertama PSHE D.I. Mendeleev.
Nama Rusia untuk hidrogen menunjukkan bahwa ia “melahirkan air”; Latin " hidrogenium" berarti hal yang sama.
Pelepasan gas yang mudah terbakar selama interaksi logam tertentu dengan asam pertama kali diamati oleh Robert Boyle dan orang-orang sezamannya pada paruh pertama abad ke-16.
Namun hidrogen baru ditemukan pada tahun 1766 oleh ahli kimia Inggris Henry Cavendish, yang menemukan bahwa ketika logam bereaksi dengan asam encer, “udara yang mudah terbakar” tertentu akan dilepaskan. Dengan mengamati pembakaran hidrogen di udara, Cavendish menemukan bahwa air muncul sebagai hasilnya. Ini terjadi pada tahun 1782.
Pada tahun 1783, ahli kimia Perancis Antoine-Laurent Lavoisier mengisolasi hidrogen dengan menguraikan air dengan besi panas. Pada tahun 1789, hidrogen dilepaskan melalui penguraian air di bawah pengaruh arus listrik.
Prevalensi di alam
Hidrogen – elemen utama ruang angkasa. Misalnya, Matahari terdiri dari hidrogen 70% massanya. Terdapat puluhan ribu kali lebih banyak atom hidrogen di Alam Semesta dibandingkan gabungan seluruh atom logam.Atmosfer bumi juga mengandung sejumlah hidrogen dalam bentuk zat sederhana – gas dengan komposisi H2. Hidrogen jauh lebih ringan daripada udara, dan karenanya ditemukan di lapisan atas atmosfer.
Namun terdapat lebih banyak hidrogen yang terikat di Bumi: bagaimanapun, ia adalah bagian dari air, zat kompleks paling umum di planet kita. Hidrogen yang terikat menjadi molekul mengandung minyak dan gas alam, banyak mineral dan batu. Hidrogen adalah bagian dari semua zat organik.
Ciri-ciri unsur hidrogen.
Hidrogen memiliki sifat ganda; oleh karena itu, dalam beberapa kasus hidrogen ditempatkan dalam subkelompok logam alkali, dan dalam kasus lain - dalam subkelompok halogen.
Konfigurasi elektronik 1 detik 1 . Sebuah atom hidrogen terdiri dari satu proton dan satu elektron.
Atom hidrogen mampu kehilangan elektron dan menjadi kation H+, dan dalam hal ini mirip dengan logam alkali.
Atom hidrogen juga dapat menambahkan elektron, sehingga membentuk anion H; dalam hal ini, hidrogen mirip dengan halogen.
Selalu monovalen dalam senyawa
CO: +1 dan -1.
Sifat fisik hidrogen
Hidrogen adalah gas, tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau. 14,5 kali lebih ringan dari udara. Sedikit larut dalam air. Memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Pada t= –253 °С ia mencair, pada t= –259 °С ia mengeras. Molekul hidrogen sangat kecil sehingga mampu berdifusi perlahan melalui banyak bahan - karet, kaca, logam, yang digunakan untuk memurnikan hidrogen dari gas lain.Ada 3 isotop hidrogen yang diketahui: - protium, - deuterium, - tritium. Bagian utama dari hidrogen alami adalah protium. Deuterium adalah bagian dari air berat yang diperkaya dengan air permukaan laut. Tritium adalah isotop radioaktif.
Sifat kimia hidrogen
Hidrogen adalah non-logam dan memiliki struktur molekul. Molekul hidrogen terdiri dari dua atom yang dihubungkan oleh ikatan kovalen nonpolar. Energi pengikatan dalam molekul hidrogen adalah 436 kJ/mol, yang menjelaskan rendahnya aktivitas kimia molekul hidrogen.
Interaksi dengan halogen. Pada suhu biasa, hidrogen hanya bereaksi dengan fluor:
Dengan klorin - hanya dalam cahaya, membentuk hidrogen klorida; dengan brom, reaksinya kurang intens; dengan yodium, reaksinya tidak selesai bahkan pada suhu tinggi.
Interaksi dengan oksigen – bila dipanaskan, bila dinyalakan, reaksinya berlangsung dengan ledakan: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Campuran 1 bagian oksigen dan 2 bagian hidrogen merupakan “campuran yang mudah meledak” dan paling mudah meledak.
Interaksi dengan belerang - saat dipanaskan H 2 + S = H 2 S.
Interaksi dengan nitrogen. Saat dipanaskan, tekanan darah tinggi dan dengan adanya katalis:
Interaksi dengan oksida nitrat (II). Digunakan dalam sistem pembersihan selama produksi asam nitrat: 2NO + 2H 2 = N 2 + 2H 2 O.
Interaksi dengan oksida logam. Hidrogen adalah zat pereduksi yang baik; ia mereduksi banyak logam dari oksidanya: CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
Atom hidrogen adalah zat pereduksi kuat. Ini terbentuk dari pelepasan listrik molekuler di bawah kondisi tekanan rendah. Memiliki aktivitas pereduksi yang tinggi hidrogen pada saat pelepasan, terbentuk ketika logam direduksi dengan asam.
Interaksi dengan logam aktif . Pada suhu tinggi ia bergabung dengan logam alkali dan alkali tanah dan membentuk warna putih zat kristal– hidrida logam, menunjukkan sifat pengoksidasi: 2Na + H 2 = 2NaH;
Produksi hidrogen
Di laboratorium:
Interaksi logam dengan larutan encer asam sulfat dan klorida,
Interaksi aluminium atau silikon dengan larutan alkali berair:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2.
Dalam industri:
Elektrolisa larutan berair natrium dan kalium klorida atau elektrolisis air dengan adanya hidroksida:
2H 2 O = 2H 2 + O 2.
Metode konversi. Pertama, gas air diperoleh dengan melewatkan uap air melalui kokas panas pada 1000 °C:
Kemudian karbon monoksida (II) dioksidasi menjadi karbon monoksida (IV) dengan melewatkan campuran gas air dengan uap air berlebih di atas katalis Fe 2 O 3 yang dipanaskan hingga 400–450 ° C:
CO +H 2 O = CO 2 + H 2.
Karbon monoksida (IV) yang dihasilkan diserap oleh air, dan 50% hidrogen industri diproduksi dengan cara ini.
Konversi metana: CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2.
Dekomposisi termal metana pada 1200 °C: CH 4 = C + 2H 2.
Pendinginan mendalam (hingga -196 °C) pada gas oven kokas. Pada suhu ini, semua zat gas kecuali hidrogen mengembun.
Penggunaan hidrogen didasarkan pada sifat fisik dan sifat kimia Oh:
sebagai gas ringan, digunakan untuk mengisi balon (dicampur dengan helium);
nyala oksigen-hidrogen digunakan untuk memperoleh suhu tinggi saat mengelas logam;
sebagai zat pereduksi digunakan untuk memperoleh logam (molibdenum, tungsten, dll.) dari oksidanya;
untuk produksi amonia dan bahan bakar cair buatan, untuk hidrogenasi lemak.
Mari kita lihat apa itu hidrogen. Sifat kimia dan produksi nonlogam ini dipelajari pada mata pelajaran kimia anorganik di sekolah. Unsur inilah yang memimpin tabel periodik Mendeleev, dan oleh karena itu layak untuk dijelaskan secara rinci.
Informasi singkat tentang membuka elemen
Sebelum melihat sifat fisik dan kimia hidrogen, mari kita cari tahu bagaimana unsur penting ini ditemukan.
Ahli kimia yang bekerja pada abad keenam belas dan ketujuh belas berulang kali menyebutkan dalam tulisan mereka tentang gas yang mudah terbakar yang dilepaskan ketika asam terkena logam aktif. Pada paruh kedua abad kedelapan belas, G. Cavendish berhasil mengumpulkan dan menganalisis gas ini, sehingga memberinya nama “gas yang mudah terbakar”.
Sifat fisik dan kimia hidrogen belum dipelajari pada saat itu. Baru pada akhir abad kedelapan belas A. Lavoisier mampu menetapkan melalui analisis bahwa gas ini dapat diperoleh dengan menganalisis air. Beberapa saat kemudian, ia mulai menyebut unsur baru tersebut hidrogen, yang jika diterjemahkan berarti “melahirkan air”. Hidrogen mendapatkan nama Rusia modernnya dari M. F. Solovyov.
Berada di alam
Sifat kimia hidrogen hanya dapat dianalisis berdasarkan keberadaannya di alam. Unsur ini terdapat di hidro dan litosfer, dan juga merupakan bagian dari mineral: gas alam dan ikutannya, gambut, minyak, batu bara, serpih minyak. Sulit membayangkan orang dewasa yang tidak mengetahui apa itu hidrogen bagian integral air.
Selain itu, bukan logam ini terdapat pada organisme hewan dalam bentuk asam nukleat, protein, karbohidrat, lemak. Di planet kita, unsur ini jarang ditemukan dalam bentuk bebas, mungkin hanya di gas alam dan vulkanik.
Dalam bentuk plasma, hidrogen membentuk sekitar setengah massa bintang dan Matahari, dan juga merupakan bagian dari gas antarbintang. Misalnya, dalam bentuk bebas, serta dalam bentuk metana dan amonia, non-logam ini terdapat di komet dan bahkan beberapa planet.
Sifat fisik
Sebelum mempertimbangkan sifat kimia hidrogen, kami mencatat kapan kondisi normal itu adalah zat gas yang lebih ringan dari udara, memiliki beberapa bentuk isotop. Ini hampir tidak larut dalam air dan memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Protium, yang memiliki nomor massa 1, dianggap sebagai bentuk paling ringan. Tritium, yang memiliki sifat radioaktif, terbentuk di alam dari nitrogen atmosfer ketika neuron memaparkannya pada sinar UV.
Fitur struktur molekul
Untuk mempertimbangkan sifat kimia hidrogen dan karakteristik reaksinya, mari kita membahas ciri-ciri strukturnya. Molekul diatomik ini mengandung ikatan kimia kovalen nonpolar. Pembentukan atom hidrogen dimungkinkan melalui interaksi logam aktif dengan larutan asam. Namun dalam bentuk ini, non-logam ini hanya dapat ada dalam jangka waktu singkat; segera ia bergabung kembali menjadi bentuk molekul.
Sifat kimia
Mari kita perhatikan sifat kimia hidrogen. Pada sebagian besar senyawa yang dibentuk oleh unsur kimia ini, ia menunjukkan bilangan oksidasi +1, yang membuatnya mirip dengan logam aktif (alkali). Sifat kimia utama hidrogen yang menjadi cirinya sebagai logam:
- interaksi dengan oksigen membentuk air;
- reaksi dengan halogen, disertai dengan pembentukan hidrogen halida;
- menghasilkan hidrogen sulfida dengan menggabungkan dengan belerang.
Di bawah ini adalah persamaan reaksi yang mencirikan sifat kimia hidrogen. Harap dicatat bahwa sebagai non-logam (dengan bilangan oksidasi -1) ia hanya bereaksi ketika bereaksi dengan logam aktif, membentuk hidrida yang sesuai dengannya.
Hidrogen pada suhu biasa tidak bereaksi secara aktif dengan zat lain, sehingga sebagian besar reaksi hanya terjadi setelah pemanasan awal.
Mari kita lihat lebih dekat beberapa interaksi kimia unsur yang menduduki peringkat teratas dalam tabel periodik unsur kimia Mendeleev.
Reaksi pembentukan air tersebut disertai dengan pelepasan energi sebesar 285,937 kJ. Pada suhu tinggi (lebih dari 550 derajat Celcius), proses ini disertai dengan ledakan dahsyat.
Di antara sifat-sifat kimia gas hidrogen yang telah banyak diterapkan dalam industri, interaksinya dengan oksida logam adalah hal yang menarik. Melalui hidrogenasi katalitik dalam industri modern oksida logam diproses, misalnya logam murni diisolasi dari kerak besi (oksida besi campuran). Metode ini memungkinkan daur ulang besi tua yang efisien.
Sintesis amonia, yang melibatkan interaksi hidrogen dengan nitrogen di udara, juga diminati dalam industri kimia modern. Diantara syaratnya interaksi kimia Perhatikan tekanan dan suhunya.
Kesimpulan
Hidrogenlah yang tidak aktif kimia dalam kondisi normal. Ketika suhu meningkat, aktivitasnya meningkat secara signifikan. Zat ini dibutuhkan dalam sintesis organik. Misalnya, hidrogenasi dapat mereduksi keton menjadi alkohol sekunder dan mengubah aldehida menjadi alkohol primer. Selain itu, dengan hidrogenasi dimungkinkan untuk mengubah hidrokarbon tak jenuh dari golongan etilen dan asetilena menjadi senyawa jenuh dari rangkaian metana. Hidrogen dianggap sebagai zat sederhana yang dibutuhkan dalam produksi kimia modern.
DI DALAM tabel periodik Hidrogen terletak pada dua kelompok unsur yang sifatnya sangat berlawanan. Fitur ini membuatnya benar-benar unik. Hidrogen bukan hanya sekedar unsur atau zat, tetapi juga merupakan bagian integral dari banyak senyawa kompleks, unsur organogenik dan biogenik. Oleh karena itu, mari kita lihat lebih dekat sifat dan karakteristiknya.
Pelepasan gas yang mudah terbakar selama interaksi logam dan asam telah diamati pada abad ke-16, yaitu pada saat terbentuknya kimia sebagai ilmu pengetahuan. Ilmuwan Inggris terkenal Henry Cavendish mempelajari zat tersebut mulai tahun 1766 dan memberinya nama “udara yang mudah terbakar”. Saat dibakar, gas ini menghasilkan air. Sayangnya, kepatuhan ilmuwan tersebut pada teori flogiston (“materi ultrahalus” hipotetis) menghalanginya untuk mengambil kesimpulan yang tepat.
Ahli kimia dan naturalis Perancis A. Lavoisier, bersama dengan insinyur J. Meunier dan dengan bantuan gasometer khusus, mensintesis air pada tahun 1783, dan kemudian menganalisisnya melalui penguraian uap air dengan besi panas. Dengan demikian, para ilmuwan dapat sampai pada kesimpulan yang tepat. Mereka menemukan bahwa “udara yang mudah terbakar” tidak hanya merupakan bagian dari air, tetapi juga dapat diperoleh darinya.
Pada tahun 1787, Lavoisier mengemukakan bahwa gas yang diteliti adalah zat sederhana dan, karenanya, merupakan salah satu unsur kimia utama. Dia menyebutnya hidrogen (dari kata Yunani hydor - air + gennao - saya melahirkan), yaitu “melahirkan air.”
Nama Rusia "hidrogen" diusulkan pada tahun 1824 oleh ahli kimia M. Soloviev. Penentuan komposisi air menandai berakhirnya “teori flogiston”. Pada pergantian abad ke-18 dan ke-19, diketahui bahwa atom hidrogen sangat ringan (dibandingkan dengan atom unsur lain) dan massanya diambil sebagai satuan dasar untuk membandingkan massa atom, memperoleh nilai yang sama dengan 1.
Sifat fisik
Hidrogen adalah zat paling ringan yang diketahui sains (14,4 kali lebih ringan dari udara), massa jenisnya 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). Bahan ini meleleh (memadat) dan mendidih (mencairkan) masing-masing pada -259,1 °C dan -252,8 °C (hanya helium yang memiliki titik didih dan titik leleh lebih rendah).
Suhu kritis hidrogen sangat rendah (-240 °C). Oleh karena itu, pencairannya merupakan proses yang rumit dan mahal. Tekanan kritis zat adalah 12,8 kgf/cm², dan massa jenis kritisnya adalah 0,0312 g/cm³. Di antara semua gas, hidrogen memiliki konduktivitas termal tertinggi: pada 1 atm dan 0 °C sama dengan 0,174 W/(mxK).
Kapasitas kalor jenis suatu zat pada kondisi yang sama adalah 14,208 kJ/(kgxK) atau 3,394 kal/(gh°C). Unsur ini sedikit larut dalam air (sekitar 0,0182 ml/g pada 1 atm dan 20 °C), tetapi mudah larut dalam sebagian besar logam (Ni, Pt, Pa dan lain-lain), terutama dalam paladium (sekitar 850 volume per volume Pd ) .
Sifat terakhir dikaitkan dengan kemampuannya untuk berdifusi, dan difusi melalui paduan karbon (misalnya, baja) dapat disertai dengan penghancuran paduan tersebut karena interaksi hidrogen dengan karbon (proses ini disebut dekarbonisasi). Dalam wujud cair, zat ini sangat ringan (massa jenis - 0,0708 g/cm³ pada t° = -253 °C) dan cair (viskositas - 13,8 spoise dalam kondisi yang sama).
Dalam banyak senyawa, unsur ini menunjukkan valensi +1 (bilangan oksidasi), seperti natrium dan logam alkali lainnya. Biasanya dianggap sebagai analog dari logam-logam ini. Oleh karena itu, dia mengepalai kelompok I sistem periodik. Dalam hidrida logam, ion hidrogen mempunyai muatan negatif (bilangan oksidasi -1), yaitu Na+H- memiliki struktur yang mirip dengan Na+Cl- klorida. Sesuai dengan hal ini dan beberapa fakta lainnya (kesamaan sifat fisik unsur “H” dan halogen, kemampuannya menggantikannya dengan halogen dalam senyawa organik), Hidrogen diklasifikasikan dalam golongan VII sistem periodik.
Dalam kondisi normal, molekul hidrogen memiliki aktivitas rendah, hanya berikatan langsung dengan non-logam yang paling aktif (dengan fluor dan klor, dengan yang terakhir dalam cahaya). Pada gilirannya, ketika dipanaskan, ia berinteraksi dengan banyak unsur kimia.
Hidrogen atom memiliki aktivitas kimia yang lebih tinggi (dibandingkan dengan hidrogen molekuler). Dengan oksigen membentuk air menurut rumus:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
melepaskan 285,937 kJ/mol kalor atau 68,3174 kkal/mol (25 °C, 1 atm). Pada kondisi suhu normal, reaksi berlangsung agak lambat, dan pada t° >= 550 °C reaksi tidak dapat dikendalikan. Batas ledakan campuran hidrogen + oksigen berdasarkan volume adalah 4–94% H₂, dan campuran hidrogen + udara adalah 4–74% H₂ (campuran dua volume H₂ dan satu volume O₂ disebut gas peledakan).
Unsur ini digunakan untuk mereduksi sebagian besar logam, karena menghilangkan oksigen dari oksida:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O, dst.
Hidrogen membentuk hidrogen halida dengan halogen yang berbeda, misalnya:
H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Namun, ketika bereaksi dengan fluor, hidrogen meledak (ini juga terjadi dalam gelap, pada -252 ° C), dengan brom dan klor hanya bereaksi ketika dipanaskan atau diterangi, dan dengan yodium - hanya ketika dipanaskan. Ketika berinteraksi dengan nitrogen, amonia terbentuk, tetapi hanya pada katalis, pada tekanan dan suhu tinggi:
ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.
Saat dipanaskan, hidrogen bereaksi aktif dengan belerang:
H₂ + S = H₂S (hidrogen sulfida),
dan jauh lebih sulit dengan telurium atau selenium. Hidrogen bereaksi dengan karbon murni tanpa katalis, tetapi pada suhu tinggi:
2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metana).
Zat ini bereaksi langsung dengan beberapa logam (alkali, alkali tanah dan lain-lain), membentuk hidrida, misalnya:
H₂ + 2Li = 2LiH.
Penting signifikansi praktis mempunyai interaksi antara hidrogen dan karbon(II) monoksida. Dalam hal ini, tergantung pada tekanan, suhu dan katalis, senyawa organik yang berbeda terbentuk: HCHO, CH₃OH, dll. Hidrokarbon tak jenuh menjadi jenuh selama reaksi, misalnya:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Hidrogen dan senyawanya memainkan peran luar biasa dalam kimia. Ini menentukan sifat asam dari apa yang disebut. asam protik, cenderung membentuk ikatan hidrogen dengan berbagai unsur, yang berdampak signifikan pada sifat banyak senyawa anorganik dan organik.
Produksi hidrogen
Jenis bahan baku utama untuk produksi industri elemen ini adalah gas penyulingan minyak, gas alam yang mudah terbakar dan oven kokas. Itu juga diperoleh dari air melalui elektrolisis (di tempat-tempat yang tersedia listrik). Salah satu metode terpenting untuk memproduksi bahan dari gas alam Interaksi katalitik hidrokarbon, terutama metana, dengan uap air (yang disebut konversi) dipertimbangkan. Misalnya:
CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.
Oksidasi hidrokarbon yang tidak sempurna dengan oksigen:
CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.
Karbon monoksida (II) yang disintesis mengalami konversi:
CO + H₂O = CO₂ + H₂.
Hidrogen yang dihasilkan dari gas alam adalah yang termurah.
Digunakan untuk elektrolisis air D.C., yang dilewatkan melalui larutan NaOH atau KOH (tidak digunakan asam untuk menghindari korosi pada peralatan). DI DALAM kondisi laboratorium bahan tersebut diperoleh dengan elektrolisis air atau sebagai hasil reaksi antara keduanya asam klorida dan seng. Namun, bahan pabrik yang sudah jadi dalam bentuk silinder lebih sering digunakan.
Unsur ini diisolasi dari gas penyulingan minyak dan gas oven kokas dengan menghilangkan semua komponen lain dari campuran gas, karena unsur ini lebih mudah mencair selama pendinginan dalam.
Bahan ini mulai diproduksi secara industri pada akhir abad ke-18. Dulunya digunakan untuk mengisi balon. Saat ini hidrogen banyak digunakan dalam industri, terutama industri kimia, untuk produksi amonia.
Konsumen massal zat ini adalah produsen metil dan alkohol lainnya, bensin sintetis, dan banyak produk lainnya. Mereka diperoleh melalui sintesis dari karbon monoksida (II) dan hidrogen. Hidrogen digunakan untuk hidrogenasi bahan bakar cair berat dan padat, lemak, dll., untuk sintesis HCl, perlakuan hidro produk minyak bumi, serta pemotongan/pengelasan logam. Elemen terpenting untuk energi nuklir adalah isotopnya - tritium dan deuterium.
Peran biologis hidrogen
Sekitar 10% massa organisme hidup (rata-rata) berasal dari unsur ini. Ini adalah bagian dari air dan kelompok senyawa alami terpenting, termasuk protein, asam nukleat, lipid, dan karbohidrat. Untuk apa ini digunakan?
Materi ini memainkan peran yang menentukan: dalam menjaga struktur spasial protein (kuarter), dalam menerapkan prinsip saling melengkapi asam nukleat (yaitu, dalam implementasi dan penyimpanan informasi genetik), dan secara umum dalam “pengenalan” pada tingkat molekuler. tingkat.
Ion hidrogen H+ mengambil bagian dalam reaksi/proses dinamis yang penting dalam tubuh. Termasuk: dalam oksidasi biologis, yang menyediakan energi bagi sel-sel hidup, dalam reaksi biosintesis, dalam fotosintesis pada tumbuhan, dalam fotosintesis bakteri dan fiksasi nitrogen, dalam menjaga keseimbangan asam-basa dan homeostasis, dalam proses transpor membran. Bersama dengan karbon dan oksigen, ia membentuk dasar fungsional dan struktural dari fenomena kehidupan.
Metode industri untuk memproduksi zat sederhana bergantung pada bentuk di mana unsur yang bersangkutan ditemukan di alam, yaitu bahan mentah untuk produksinya. Jadi, oksigen, yang tersedia dalam keadaan bebas, diperoleh secara fisik - dengan pemisahan dari udara cair. Hidrogen hampir semuanya berbentuk senyawa, sehingga digunakan metode kimia untuk mendapatkannya. Secara khusus, reaksi dekomposisi dapat digunakan. Salah satu cara untuk menghasilkan hidrogen adalah melalui penguraian air oleh arus listrik.
Dasar metode industri menghasilkan hidrogen - reaksi metana, yang merupakan bagian dari gas alam, dengan air. Ini dilakukan pada suhu tinggi (mudah untuk memverifikasi bahwa ketika metana dilewatkan bahkan melalui air mendidih, tidak ada reaksi yang terjadi):
CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ
Di laboratorium, untuk memperoleh zat sederhana tidak harus menggunakan bahan baku alami, tetapi memilih bahan awal yang lebih mudah untuk mengisolasi zat yang diperlukan. Misalnya di laboratorium, oksigen tidak diperoleh dari udara. Hal yang sama berlaku untuk produksi hidrogen. Salah satu metode laboratorium untuk memproduksi hidrogen, yang terkadang digunakan dalam industri, adalah penguraian air oleh arus listrik.
Biasanya, hidrogen diproduksi di laboratorium dengan mereaksikan seng dengan asam klorida.
Di industri
1.Elektrolisis larutan garam berair:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2
2.Melewatkan uap air ke atas minuman bersoda panas pada suhu sekitar 1000°C:
H 2 O + C ⇄ H 2 + CO
3.Dari gas alam.
Konversi uap: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Oksidasi katalitik dengan oksigen: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2
4. Pemecahan dan reformasi hidrokarbon selama penyulingan minyak.
Di laboratorium
1.Pengaruh asam encer pada logam. Untuk melakukan reaksi ini, seng dan asam klorida paling sering digunakan:
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.Pengaruh alkali pada seng atau aluminium:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
5.Menggunakan elektrolisis. Selama elektrolisis larutan alkali atau asam dalam air, hidrogen dilepaskan di katoda, misalnya:
2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O
- Bioreaktor untuk produksi hidrogen
Sifat fisik
Gas hidrogen dapat ada dalam dua bentuk (modifikasi) - dalam bentuk orto - dan para-hidrogen.
Dalam molekul ortohidrogen (mp. −259.10 °C, bp −252.56 °C) putaran inti diarahkan secara identik (paralel), dan dalam parahidrogen (mp. −259.32 °C, bp. . mendidih. -252.89 °C) - saling berhadapan (antiparalel).
Bentuk hidrogen alotropik dapat dipisahkan dengan adsorpsi pada karbon aktif pada suhu nitrogen cair. Pada suhu yang sangat rendah, kesetimbangan antara ortohidrogen dan parahidrogen hampir sepenuhnya bergeser ke arah yang terakhir. Pada 80 K perbandingan bentuk kira-kira 1:1. Ketika dipanaskan, parahidrogen yang terdesorbsi berubah menjadi ortohidrogen hingga terbentuk kesetimbangan suhu kamar campuran (orto-para: 75:25). Tanpa katalis, transformasi terjadi secara perlahan, sehingga memungkinkan untuk mempelajari sifat-sifat individu bentuk alotropik. Molekul hidrogen bersifat diatomik - H₂. Dalam kondisi normal, gas ini tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa. Hidrogen adalah gas paling ringan, massa jenisnya jauh lebih kecil daripada massa jenis udara. Jelasnya, semakin kecil massa molekul, semakin tinggi kecepatannya pada suhu yang sama. Sebagai molekul paling ringan, molekul hidrogen bergerak lebih cepat daripada molekul gas lainnya sehingga dapat mentransfer panas dari satu benda ke benda lain lebih cepat. Oleh karena itu hidrogen memiliki konduktivitas termal tertinggi di antara zat gas. Konduktivitas termalnya kira-kira tujuh kali lebih tinggi daripada konduktivitas termal udara.
Sifat kimia
Molekul hidrogen H₂ cukup kuat, dan agar hidrogen dapat bereaksi, banyak energi yang harus dikeluarkan: H 2 = 2H - 432 kJ Oleh karena itu, pada suhu biasa, hidrogen hanya bereaksi dengan logam yang sangat aktif, misalnya kalsium, membentuk kalsium hidrida: Ca + H 2 = CaH 2 dan dengan satu-satunya non-logam - fluor, membentuk hidrogen fluorida: F 2 + H 2 = 2HF Dengan sebagian besar logam dan non-logam, hidrogen bereaksi pada suhu tinggi atau di bawah pengaruh lain, misalnya , pencahayaan. Ia dapat “mengambil” oksigen dari beberapa oksida, misalnya: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 Persamaan tertulis mencerminkan reaksi reduksi. Reaksi reduksi adalah proses di mana oksigen dihilangkan dari suatu senyawa; Zat yang menghilangkan oksigen disebut zat pereduksi (mereka sendiri yang teroksidasi). Selanjutnya akan diberikan definisi lain dari konsep “oksidasi” dan “reduksi”. A definisi ini, yang pertama secara historis, tetap penting hingga saat ini, terutama dalam kimia organik. Reaksi reduksi merupakan kebalikan dari reaksi oksidasi. Kedua reaksi ini selalu terjadi secara bersamaan sebagai satu proses: ketika suatu zat dioksidasi (direduksi), reduksi (oksidasi) zat lain tentu terjadi secara bersamaan.
N 2 + 3H 2 → 2 NH 3
Bentuk dengan halogen hidrogen halida:
F 2 + H 2 → 2 HF, reaksi terjadi secara eksplosif dalam gelap dan pada suhu berapa pun, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reaksi terjadi secara eksplosif, hanya dalam cahaya.
Ia berinteraksi dengan jelaga di bawah suhu tinggi:
C + 2H 2 → CH 4
Interaksi dengan logam alkali dan alkali tanah
Hidrogen terbentuk dengan logam aktif hidrida:
Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2
Hidrida- seperti garam, padatan, mudah terhidrolisis:
CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2
Interaksi dengan oksida logam (biasanya unsur d)
Oksida direduksi menjadi logam:
CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O
Hidrogenasi senyawa organik
Ketika hidrogen bekerja pada hidrokarbon tak jenuh dengan adanya katalis nikel dan pada suhu tinggi, terjadi reaksi hidrogenasi:
CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3
Hidrogen mereduksi aldehida menjadi alkohol:
CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.
Geokimia hidrogen
Hidrogen adalah bahan bangunan utama alam semesta. Ini adalah unsur yang paling umum, dan semua unsur terbentuk darinya sebagai hasil reaksi termonuklir dan nuklir.
Hidrogen H2 bebas relatif jarang terdapat dalam gas bumi, namun dalam bentuk air ia berperan sangat penting dalam proses geokimia.
Hidrogen dapat terdapat dalam mineral dalam bentuk ion amonium, ion hidroksil, dan air kristal.
Di atmosfer, hidrogen terus diproduksi sebagai hasil penguraian air oleh radiasi matahari. Ia bermigrasi ke atmosfer atas dan lepas ke luar angkasa.
Aplikasi
- Energi hidrogen
Atom hidrogen digunakan untuk pengelasan atom hidrogen.
DI DALAM industri makanan hidrogen terdaftar sebagai bahan tambahan makanan E949, seperti kemasan gas.
Fitur pengobatan
Hidrogen, bila bercampur dengan udara, membentuk campuran yang mudah meledak - yang disebut gas peledak. Gas ini paling mudah meledak jika perbandingan volume hidrogen dan oksigen adalah 2:1, atau hidrogen dan udara kira-kira 2:5, karena udara mengandung sekitar 21% oksigen. Hidrogen juga merupakan bahaya kebakaran. Hidrogen cair dapat menyebabkan radang dingin parah jika terkena kulit.
Konsentrasi hidrogen dan oksigen yang mudah meledak terjadi dari 4% hingga 96% volume. Bila dicampur dengan udara dari 4% menjadi 75(74)% volume.
Penggunaan hidrogen
Dalam industri kimia, hidrogen digunakan dalam produksi amonia, sabun, dan plastik. Dalam industri makanan, margarin dibuat dari minyak nabati cair dengan menggunakan hidrogen. Hidrogen sangat ringan dan selalu naik di udara. Dahulu kala, kapal udara dan balon diisi dengan hidrogen. Namun di usia 30-an. abad XX Beberapa bencana dahsyat terjadi ketika kapal udara meledak dan terbakar. Saat ini, kapal udara diisi dengan gas helium. Hidrogen juga digunakan sebagai bahan bakar roket. Suatu hari nanti, hidrogen dapat digunakan secara luas sebagai bahan bakar mobil dan truk. Mesin hidrogen tidak menimbulkan polusi lingkungan dan hanya melepaskan uap air (walaupun produksi hidrogen itu sendiri menyebabkan pencemaran lingkungan). Matahari kita sebagian besar terbuat dari hidrogen. Panas dan cahaya matahari merupakan hasil pelepasan energi nuklir dari fusi inti hidrogen.
Menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar (hemat biaya)
Karakteristik paling penting dari zat yang digunakan sebagai bahan bakar adalah panas pembakarannya. Dari kursus kimia umum Diketahui bahwa reaksi antara hidrogen dan oksigen terjadi dengan pelepasan panas. Jika kita mengambil 1 mol H 2 (2 g) dan 0,5 mol O 2 (16 g) dalam kondisi standar dan merangsang reaksi, maka menurut persamaan
H 2 + 0,5 O 2 = H 2 O
setelah reaksi selesai, terbentuk 1 mol H 2 O (18 g) dengan pelepasan energi 285,8 kJ/mol (sebagai perbandingan: kalor pembakaran asetilena adalah 1300 kJ/mol, propana - 2200 kJ/mol) . 1 m³ hidrogen memiliki berat 89,8 g (44,9 mol). Oleh karena itu, untuk menghasilkan 1 m³ hidrogen, akan dikeluarkan energi sebesar 12832,4 kJ. Mengingat 1 kWh = 3600 kJ, maka diperoleh listrik 3,56 kWh. Mengetahui tarif listrik 1 kWh dan biaya 1 m³ gas, kita dapat menyimpulkan bahwa disarankan untuk beralih ke bahan bakar hidrogen.
Misalnya, model eksperimental Honda FCX generasi ke-3 dengan tangki hidrogen 156 liter (mengandung 3,12 kg hidrogen pada tekanan 25 MPa) menempuh jarak 355 km. Dengan demikian, dari 3,12 kg H2 diperoleh 123,8 kWh. Per 100 km, konsumsi energinya sebesar 36,97 kWh. Mengetahui biaya listrik, biaya bahan bakar atau bensin, dan konsumsinya per mobil per 100 km, mudah untuk menghitung dampak ekonomi negatif dari peralihan mobil ke bahan bakar hidrogen. Katakanlah (Rusia 2008), 10 sen per kWh listrik menghasilkan fakta bahwa 1 m³ hidrogen menghasilkan harga 35,6 sen, dan dengan mempertimbangkan efisiensi penguraian air sebesar 40-45 sen, jumlah kWh yang sama dari pembakaran bensin biayanya 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 sen/l=34 sen dengan harga eceran, sedangkan untuk hidrogen kami menghitung pilihan ideal, tanpa memperhitungkan transportasi, penyusutan peralatan, dll. Untuk metana dengan energi pembakaran sekitar 39 MJ per m³, hasilnya akan dua hingga empat kali lebih rendah karena perbedaan harga (1 m³ untuk Ukraina berharga $179, dan untuk Eropa $350). Artinya, jumlah metana yang setara akan berharga 10-20 sen.
Namun, kita tidak boleh lupa bahwa ketika kita membakar hidrogen, kita mendapatkan air bersih dari mana hidrogen tersebut diekstraksi. Artinya, kita punya energi terbarukan penimbun energi tanpa membahayakan lingkungan, tidak seperti gas atau bensin, yang merupakan sumber energi utama.
Php online 377 Peringatan: memerlukan(http://www..php): gagal membuka streaming: tidak ada pembungkus yang sesuai dapat ditemukan di /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php on line 377 Fatal error: require(): Pembukaan gagal diperlukan "http://www..php" (include_path="..php on line 377