Proprietățile fizice și utilizarea hidrogenului. Proprietățile fizice ale hidrogenului
Noțiuni de bază cu luarea în considerare a proprietăților chimice și fizice ale hidrogenului, trebuie remarcat faptul că în starea obișnuită, acest element chimic este într-o formă gazoasă. Gazul de hidrogen incolor nu are miros, el este lipsit de gust. Pentru prima dată, acest element chimic a fost numit hidrogen după un om de știință A. Lavoisie a fost efectuată experimente cu apă, pe baza rezultatelor, world Science. El a aflat că apa este un lichid multicomponent, care include hidrogen. Evenimentul se întâmpla în 1787, dar cu mult înainte de această dată, hidrogenul a fost cunoscut ca un om de știință numit "gaz combustibil".
Hidrogen în natură
Potrivit oamenilor de știință, hidrogenul este conținut în crusta Pământului și în apă (aproximativ 11,2% în volumul total de apă). Acest gaz face parte din multe minerale pe care omenirea de-a lungul secolelor extrase din intestinul pământului. Proprietățile parțiale ale hidrogenului sunt caracteristice de petrol, gaze naturale și lut, pentru organismele și plantele animale. Dar, în forma sa pură, care nu este legată de alte elemente chimice ale mesei Mendeleev, acest gaz este extrem de rar în natură. Acest gaz poate merge la suprafața Pământului atunci când erupția vulcanilor. Hidrogen liber în cantități nesemnificative este prezent în atmosferă.
Proprietățile chimice ale hidrogenului
Deoarece proprietățile chimice ale hidrogenului sunt inseparabile, acest element chimic se referă la grupul I al sistemului Mendeleev și la grupul de sisteme VII. Ca reprezentant al primului grup, hidrogenul este, de fapt, un metal alcalin, care are un grad de oxidare de +1 în majoritatea compușilor în care intră. Aceeași valență este caracteristică de sodiu și alții. metale alcaline. Având în vedere aceste proprietăți chimice, hidrogenul este considerat un element similar cu aceste metale.
Dacă vorbim Despre hidridele de metale, ionul de hidrogen are o valență negativă - gradul de oxidare este -1. Na + H - se bazează pe aceeași schemă ca Na + Clorură de Cl-clorură. Acest fapt este motivul pentru grupul de hidrogen la VII al sistemului Mendeleev. Hidrogen, fiind capabil la o moleculă, cu condiția să reședința într-un mediu normal, este sedimentată și poate fi conectată exclusiv cu non-metale, mai activă pentru aceasta. Astfel de metale includ fluor, dacă există lumină, hidrogenul este conectat la clor. Dacă hidrogenul este încălzit, atunci devine mai activ, intrarea în reacții cu multe elemente ale sistemului Periodic Mendeleev.
Hidrogenul atomic prezintă proprietăți chimice mai active decât moleculare. Moleculele de oxigen C Formarea apei - H2 + 1 / 2O2 \u003d H2O. Când hidrogenul interacționează cu halogeni, se formează hidrogen H2 + CL2 \u003d 2NCI, iar în această reacție, hidrogenul intră în absența luminii și la temperaturi negative suficient de mari - până la - 252 ° C. Proprietățile chimice ale hidrogenului îi permit să fie utilizate pentru a restabili multe metale, deoarece reacționarea, hidrogenul absoarbe oxigenul de oxigen, de exemplu, Cuo + H2 \u003d Cu + H2O. Hidrogenul este implicat în formarea de amoniac, interacționând cu azot în reacția Zn2 + N2 \u003d 2NN3, dar cu condiția ca catalizatorul să fie utilizat, iar temperatura și presiunea sunt crescute.
Reacția energetică apare atunci când hidrogenul interacționează cu sulf în reacție H2 + S \u003d H2S, rezultatul de hidrogen sulfurat. Puțin mai puțin activ în interacțiunea hidrogenului cu telur și seleniu. Dacă nu există catalizator, aceasta reacționează cu carbon pur, hidrogen numai cu condiția ca temperaturile ridicate să fie create. 2N2 + C (amorf) \u003d CH4 (metan). În procesul de activitate de hidrogen cu unele alcaline și alte metale, se obțin hidruri, de exemplu, H2 + 2LI \u003d 2LI.
Proprietățile fizice ale hidrogenului
Hidrogenul este foarte ușor substanta chimica. Cel puțin oamenii de știință susțin că acest momentNici o substanță mai ușoară decât hidrogenul. Masa sa este de 14,4 ori mai ușoară pentru aer, densitatea este de 0,0899 g / l la 0 ° C. La temperaturi în -259,1 ° C hidrogen, este capabil să se topească - aceasta este o temperatură foarte critică care nu este tipică pentru conversia celui compuși chimici De la un stat la altul. Numai un astfel de element ca Helium depășește proprietățile fizice ale hidrogenului în această privință. Licihefacția hidrogenului este dificilă, deoarece temperatura critică este egală cu (-240 ° C). Hidrogenul este cel mai mare gaz de toate cunoscute de omenire. Toate proprietățile descrise mai sus sunt proprietățile fizice cele mai semnificative ale hidrogenului, care sunt utilizate de o persoană în scopuri specifice. De asemenea, aceste proprietăți sunt cele mai relevante pentru știința modernă.
Hidrogenul H este un element chimic, unul dintre cele mai frecvente în universul nostru. Masa hidrogenului ca element în compoziția substanțelor este de 75% din conținutul total de atomi de alt tip. Este inclusă în cea mai importantă și vitală conexiune de pe planetă - apă. O caracteristică distinctivă Hidrogenul este, de asemenea, faptul că acesta este primul element din sistemul periodic elemente chimice D. I. Mendeleev.
Deschiderea și cercetarea
Primele mențiuni de hidrogen în scrierile paraceelor \u200b\u200bsunt datate de secolul al șaisprezecelea. Dar eliberarea sa din amestecul de gaz de aer și studiul proprietăților combustibile a fost produsă deja în secolul al șaptesprezecelea de pârghie de știință. Un chimist englez, un fizician și un naturalist, care se confruntă cu atenție, sa dovedit a fi bine studiat cu atenție că masa hidrogenului este cea mai mică în comparație cu alte gaze. În etapele ulterioare de dezvoltare a științei, mulți oameni de știință au lucrat cu el, în special la Lavoisier, care la numit "apă născută".
Caracteristică prin poziția în PSHE
Un element care deschide o masă periodică D. I. Mendeleev este hidrogen. Proprietățile fizice și chimice ale atomului arată o dualitate, deoarece hidrogenul este menționat simultan la primul grup, subgrupul principal, dacă se comportă ca un metal și dă singurul electron în proces reactie chimica, și la al șaptelea - în cazul umplerii complete a cochiliei de valență, adică recepția particulei negative, care o caracterizează la fel ca similar cu halogeni.
Caracteristici Element de structură electronică
Proprietățile substanțelor complexe a căror compoziție este inclusă și substanță simplă H2 este determinată în primul rând de configurația electronică a hidrogenului. Particulele are un electron cu z \u003d (-1), care se rotește în orbita sa în jurul kernelului care conține un proton cu o singură masă și o încărcare pozitivă (+1). A lui configurare electronică Este scris ca 1s 1, ceea ce înseamnă prezența unei particule negative asupra primului și numai hidrogenul S-Orbital.
Dacă electronul este separat sau întoarcerea și atomul acestui element are o astfel de proprietate pe care o relaționează la metale, se obține cationul. În esență, ionul de hidrogen este o particulă elementară pozitivă. Prin urmare, lipsa hidrogenului electronic se numește pur și simplu proton.
Proprietăți fizice
Dacă hidrogenul este descris scurt, este un gaz incolor, solubil, cu o greutate atomică relativă egală cu 2, de 14,5 ori mai ușoară decât aerul, cu o temperatură de lichefiere, component -252,8 grade Celsius.
Pe experiență puteți să vă asigurați cu ușurință că H2 este cea mai ușoară. Pentru a face acest lucru, este suficient să umpleți trei bile cu diferite substanțe - hidrogen, dioxid de carbon, aer obișnuit - și, în același timp, eliberați-le în mână. Cu cât toate acestea vor ajunge mai repede pe pământ, care este umplut cu 2, după ce scade amestecul de aer umflat și H2 conține deloc la plafon.
Masa mică și dimensiunea particulelor de hidrogen justifică capacitatea sa de a pătrunde în diverse substanțe. Folosind exemplul aceleiași minge în acest ușor de asigurat, după câteva zile va fi suflat, deoarece gazul va trece pur și simplu prin cauciuc. De asemenea, hidrogenul se poate acumula în structura unor metale (paladiu sau platină) și când temperatura este ridicată să se evapore din ea.
Proprietatea de solubilitate redusă de hidrogen este utilizată în practica de laborator pentru eliberarea acestuia prin metoda de deplasare a hidrogenului (tabelul prezentat mai jos conține parametrii de bază) determină sferele utilizării acestuia și metodele de obținere.
| Parametrul atomului sau moleculei unei substanțe simple | Valoare |
| Masa atomică (masa molară) | 1,008 g / mol |
| Configurare electronică | 1s 1. |
| Crystal Cell. | Hexagonal |
| Conductivitate termică | (300 K) 0,1815 W / (M · K) |
| Densitate cu n. Y. | 0,08987 g / l |
| Temperatura de fierbere | -252,76 ° C. |
| Combustie specifică a căldurii | 120.9 · 10 6 J / kg |
| Temperatură de topire | -259.2 ° C. |
| Solubilitate in apa | 18,8 ml / l |
Compoziția izotopică
Ca mulți alți reprezentanți ai sistemului periodic de elemente chimice, hidrogenul are câțiva izotopi naturali, adică atomi cu același număr de protoni din nucleu, dar prin numere diferite de neutroni - particule cu o încărcătură zero și o singură masă. Exemple de atomi cu o proprietate similară - oxigen, carbon, clor, brom și altele, inclusiv radioactive.
Proprietăți fizice Hidrogenul 1H, cel mai frecvent dintre reprezentanții acestui grup, este semnificativ diferit de aceleași caracteristici ale colegului său. În special, particularitățile substanțelor se bazează pe care intră. Astfel, există apă obișnuită și deuterată care conținea în compoziția sa, în loc de un atom de hidrogen cu un singur proton de deuteriu 2 H este izotopul său cu două particule elementare: pozitive și neîncărcate. Acest izotop este de două ori mai mare decât hidrogenul, care explică diferența cardinală în proprietățile compușilor pe care le constituie. În natură, deuteriul îndeplinește 3200 de ori mai puțin decât hidrogen. Cel de-al treilea reprezentant - Tritium 3 N, în centrul are doi neutroni și un proton.
Metode de obținere și evidențiere
Metodele de laborator și industriale sunt foarte diferite. Astfel, în cantități mici, gazul este obținut în principal prin reacții în care sunt implicate mineralele, iar producția pe scară largă este în mare parte utilizată de sinteza organică.
Laboratorul utilizează următoarele interacțiuni chimice:
În interesul industrial al gazului primesc astfel de metode ca:
- Descompunerea termică a metanului în prezența unui catalizator la componentele substanțelor sale simple (350 de grade ajunge la valoarea unui astfel de indicator ca temperatură) - hidrogen H2 și carbon S.
- Achiziționarea de apă de vapori prin Cox la 1000 de grade Celsius cu formarea de dioxid de carbon CO 2 și H 2 (cea mai comună metodă).
- Conversia metanului gazos pe un catalizator de nichel la o temperatură care ajunge la 800 de grade.
- Hidrogenul este un produs secundar cu electroliză soluții apoase Cloruri de potasiu sau sodiu.
Interacțiuni chimice: General
Proprietățile fizice ale hidrogenului explică în mare măsură comportamentul său în procesele de răspuns cu unul sau altul compus. Valența de hidrogen este de 1, deoarece este situată în tabelul Mendeleev în primul grup, iar gradul de oxidare arată diferit. În toți compușii, cu excepția hidroapelor, hidrogenului în C.O. \u003d (1+), în moleculele de tip HN, XN2, HN 3 - (1-).
Molecula de gaz de hidrogen, formată prin crearea unei perechi electrice generalizate, constă din doi atomi și este mai degrabă o energie stabilă, care este, în condiții normale, oarecum inertă și în reacție intră în condițiile normale. În funcție de gradul de oxidare a hidrogenului în alte substanțe, acesta poate acționa ca un agent de oxidare și un agent reducător.
Substanțe care reacționează și care formează hidrogen
Interacțiuni elementare cu formarea de substanțe complexe (adesea la temperaturi ridicate):
- Alcalin și alcalin Pământ metal + hidrogen \u003d hidrură.
- Halogen + H 2 \u003d hidrogen de halogen.
- Sulf + hidrogen \u003d hidrogen sulfurat.
- Oxigen + H 2 \u003d apă.
- Carbon + hidrogen \u003d metan.
- Azot + H 2 \u003d amoniac.
Interacțiunea cu substanțele compuse:
- Pregătirea gazului de sinteză din monoxid de carbon și hidrogen.
- Restaurarea metalelor din oxizi cu H2.
- Saturație prin hidrogen de hidrocarburi alifatice nesaturate.
Hidrogen Communications.
Proprietățile fizice ale hidrogenului sunt astfel încât să permită să fie într-un compus cu un element electronic pentru a forma un tip special de comunicare cu același atom de molecule vecine care au perechi electronice fără sens (de exemplu, oxigen, azot și fluor). Cel mai strălucit exemplu pe care este mai bine să se ia în considerare un fenomen similar este apa. Se poate spune că este cusută de legăturile de hidrogen care sunt mai slabe decât covalente sau ionice, dar datorită faptului că există multe dintre ele, există un impact semnificativ asupra proprietăților substanței. De fapt, legătura de hidrogen este o interacțiune electrostatică care leagă moleculele de apă în dimeri și polimeri, justificând punctul său de fierbere ridicat.
Hidrogen în compuși minerali
Toate includ un proton - o cation a unui astfel de atom, cum ar fi hidrogenul. Substanța, reziduul acid are un grad de oxidare (-1), se numește o conexiune multi-mai puternică. Conține mai mulți atomi de hidrogen, ceea ce face ca disocierea în soluții apoase ale multistratului. Fiecare proton ulterior decolează de la reziduul acidului este din ce în ce mai mult. Conform conținutului cantitativ al hidrogenului în mediu, aciditatea sa este determinată.
Aplicarea în activitatea umană
Cilindri cu substanță, precum și rezervoare cu alte gaze lichefiate, cum ar fi oxigenul, au un aspect specific. Au pictat într-o culoare verde închis, cu o inscripție roșie strălucitoare "hidrogen". Gazul este pompat într-un cilindru sub presiune de aproximativ 150 de atmosfere. Proprietățile fizice ale hidrogenului, în special ușurința gazelor starea agregatăFolosit pentru al umple într-un amestec cu heliu de baloane, sonde-sonde etc.
Hidrogen, proprietățile fizice și chimice ale căror persoane au învățat să folosească cu mulți ani în urmă, până în prezent sunt implicați în multe industrii. Masa principală a masei sale este pe producția de amoniac. De asemenea, hidrogenul este, de asemenea, implicat în (Hafnia, Germania, Galiu, siliciu, molibden, tungsten, zirconiu și altele) de la oxizi, acționând în reacție ca agent reducător, acid albastru și clorhidric, precum și combustibil lichid artificial. Industria alimentară o folosește pentru a transforma uleiurile vegetale în grăsimi solide.
Proprietățile chimice și utilizarea hidrogenului în diferite procese de hidrogenare și hidrogenare de grăsimi, cărbune, hidrocarburi, uleiuri și ulei de combustibil sunt determinate. Cu ajutorul acesteia, sunt produse pietre prețioase, lămpi incandescente, poartă o forjare și sudare a produselor metalice sub influența unei flacără de hidrogen cu oxigen.
În sistemul periodic, hidrogenul este situat în două absolut opuse în proprietățile lor de grupuri de elemente. Această caracteristică o face complet unică. Hidrogenul nu este pur și simplu un element sau o substanță, dar este, de asemenea, o parte integrantă a multor compuși complexi, elemente organogene și biogene. Prin urmare, considerăm proprietățile și caracteristicile sale în detaliu.
Separarea gazului de combustibil în procesul de interacțiune între metale și acizi a fost observată în secolul al XVI-lea, adică în timpul formării chimiei ca știință. Celebrul om de știință englez Henry Cavendish a explorat substanța din 1766 și ia dat numele "aer combustibil". Când arde, acest gaz a dat apă. Din păcate, angajamentul teoriei de știință a lui Fhlogiston (hipoton "ipotetic" a materiei ") a împiedicat să ajungă la concluziile corecte.
Chimistul francez și naturalistul A. Lavoisier, împreună cu inginerul J. Mai mult și cu ajutorul gazometrelor speciale în 1783, au efectuat o sinteză a apei, iar după și analiza sa prin descompunerea fierului fierbinte de vapori de apă. Astfel, oamenii de știință au reușit să ajungă la concluziile corecte. Ei au descoperit că "aerul combustibil" nu este doar o parte a apei, ci poate fi obținută și din ea.
În 1787, Lavoisier a prezentat presupunerea că gazul studiat este o substanță simplă și, în consecință, se referă la numărul de elemente chimice primare. El ia numit hidrogenă (de la cuvintele grecești de hidraor - apă + Gennao - Dumnezeu), adică "apă de coardă".
Numele rus "Hidrogen" din 1824 a propus un chimist M. Solovyov. Determinarea compoziției apei a marcat sfârșitul "teoriei bigistonului". La intersecția dintre secolele XVIII și XIX se constată că atomul de hidrogen este foarte ușor (comparativ cu atomii de alte elemente) și masa sa a fost adoptată pentru o unitate principală de comparație a maselor atomice, obținând o valoare egală cu 1.
Proprietăți fizice
Hidrogenul este cel mai simplu dintre toate științele cunoscute de substanțe (este de 14,4 ori mai ușoară decât aerul), densitatea sa este de 0,0899 g / l (1 atm, 0 ° C). Acest material se topește (se ridică) și se fierbe (lichefiat), respectiv la -259,1 ° C și -252,8 ° C (numai heliul are o fierbere mai mică și topirea T °).
Temperatura critică a hidrogenului este extrem de scăzută (-240 ° C). Din acest motiv, lichefierea sa este un proces destul de complicat și de cost. Presiunea critică a substanței este de 12,8 kgf / cm², iar densitatea critică este de 0,0312 g / cm3. Printre toate gazele, hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică: la 1 atm și 0 ° C, este egal cu 0,174 W / (MHC).
Capacitatea de căldură specifică a substanței în aceleași condiții - 14,208 kJ / (CGKK) sau 3,394 CAL / (GC ° C). Acest element este slab solubil în apă (aproximativ 0,0182 ml / g la 1 atm și 20 ° C), dar bine - în majoritatea metalelor (Ni, PT, PA și altele), în special în paladiu (aproximativ 850 de volume pe un PD).
Cu cea mai recentă proprietate, capacitatea sa de difuzie este asociată, în timp ce difuzia printr-un aliaj de carbon (de exemplu, oțel) poate fi însoțită de distrugerea aliajului datorită interacțiunii de hidrogen cu carbon (acest proces se numește decarbonizare). Într-o stare lichidă, substanța este foarte ușoară (densitate - 0,0708 g / cm³ la t ° \u003d -253 ° C) și fluid (vâscozitate - 13,8 Solseză în aceleași condiții).
În mulți compuși, acest element prezintă valență +1 (grad de oxidare), cum ar fi sodiu și alte metale alcaline. De obicei, este considerat analog al acestor metale. În consecință, el conduce grupul I al sistemului Mendeleev. În hidridele metalelor, ionul de hidrogen prezintă o încărcare negativă (gradul de oxidare în același timp - 1), adică Na + H- are o structură similară cu Na + clizul. În conformitate cu acest lucru și cu alte fapte (apropierea proprietăților fizice ale elementului "H" și halogen, capacitatea de ao înlocui cu halogeni în compușii organici) hidrogenă aparține grupului VII al sistemului Mendeleev.
În condiții normale, hidrogenul molecular are o activitate scăzută, conectarea directă numai cu cele mai active non-metale (cu fluor și clor, cu acesta din urmă). La rândul său, atunci când este încălzit, interacționează cu multe elemente chimice.
Hidrogenul atomic a crescut activitatea chimică (în comparație cu molecululară). Cu oxigen, formează apă cu formula:
N₂ + ½₂ \u003d N₂o,
evidențiarea căldurii 285.937 kJ / mol sau 68.3174 kcal / mol (25 ° C, 1 atm). În condiții de temperatură convențională, reacția se realizează destul de încet și la T °\u003e \u003d 550 ° C - incontrolabil. Limitele de explozie ale amestecului de hidrogen + oxigen în volum sunt 4-94% H₂ și amestecurile de hidrogen + aer - 4-74% H₂ (un amestec de două volume de H₂ și un volum de O₂ se numește gaz de șobolan.
Acest element este utilizat pentru a restabili majoritatea metalelor, deoarece este nevoie de oxigen de oxizi:
Fe₃o₄ + 4H₂ \u003d 3FE + 4N₂O,
Cuo + H₂ \u003d cu + H₂o, etc.
Cu halogeni diferiți, hidrogen formează sunuri de hidrogen halogen, de exemplu:
N₂ + CL₂ \u003d 2NSL.
Cu toate acestea, atunci când reacțiile cu fluor, hidrogenul explodează (acest lucru se întâmplă în întuneric, la -252 ° C), cu brom și clor reacționează numai atunci când sunt încălzite sau iluminare și cu iod - exclusiv atunci când sunt încălzite. Atunci când interacționează cu azot, se formează amoniac, dar numai pe catalizator, presiuni sporite și temperatura:
Zn₂ + n₂ \u003d 2nn₃.
Atunci când este încălzit, hidrogenul reacționează activ cu sulful:
N₂ + S \u003d H₂s (hidrogen sulfurat)
Și este mult mai dificil - cu telurium sau seleniu. Cu carbon pur, hidrogen reacționează fără catalizator, dar la temperaturi ridicate:
2N₂ + C (amorf) \u003d CH₄ (metan).
Această substanță reacționează direct cu unele dintre metalele (alcalin, pământ alcalin și altele), formând hidriluri, de exemplu:
H₂ + 2LI \u003d 2LIH.
Esenţial valoare practică Există reacții de hidrogen și oxid de carbon (II). În acest caz, în funcție de presiune, temperatură și catalizator, se formează diferite compuși organici: NSNO, CN₃on etc. Hidrocarburile nesaturate în procesul de reacție se deplasează în mod saturat, de exemplu:
Cu n ₂ n + h₂ \u003d c n ₂ n ₊₂.
Hidrogenul și compușii săi joacă un rol excepțional în chimie. Determină proprietățile acide ale T. N. acizi proton, înclinați să se formeze cu elemente diferite hidrogen Communications.oferind un impact semnificativ asupra proprietăților multor compuși anorganici și organici.
Obținerea de hidrogen
Principalele tipuri de materii prime pentru producția industrială a acestui element sunt gaze de rafinare, gaze naturale combustibile și de cocs. De asemenea, este obținut din apă prin electroliză (în locuri cu energie electrică la prețuri accesibile). Una dintre cele mai importante metode de producere a materialului natural este interacțiunea catalitică a hidrocarburilor, în principal metan, cu vapori de apă (t.n. conversia). De exemplu:
CH₄ + H₂O \u003d CO + ZN₂.
Oxidarea incompletă a hidrocarburilor cu oxigen:
Ch₄ + ½o₂ \u003d CO + 2N₂.
Sintetizat oxid de carbon (II) Conversie:
CO + N₂O \u003d SO + H₂.
Hidrogenul produs din gazele naturale este cel mai ieftin.
Pentru electroliza apei, se utilizează un curent constant, care este trecut printr-o soluție de NaOH sau con (acizii nu sunt utilizați pentru a evita coroziunea instrumentelor). În laborator, materialul este obținut prin electroliza apei sau ca urmare a reacției dintre acid clorhidric și zinc. Cu toate acestea, utilizează mai des material din fabrică gata de fabricație în cilindri.
Din gazul de rafinare a uleiului și de gaz de cocs, acest element este izolat prin îndepărtarea tuturor celorlalte componente ale amestecului de gaz, deoarece acestea sunt mai ușor de lichefiat cu răcire profundă.
Industrial, acest material a început să primească chiar și la sfârșitul secolului al XVIII-lea. Apoi a fost folosit pentru a umple baloanele. În prezent, hidrogenul este utilizat pe scară largă în industrie, în principal în substanța chimică, pentru producția de amoniac.
Consumatorii de masă ai substanței sunt producătorii de metil și alți alcooli, benzină sintetică și multe alte produse. Acestea sunt obținute prin sinteza oxidului de carbon (II) și hidrogen. Hidrogena este utilizată pentru hidrogenizarea combustibililor lichizi grei și solizi, a grăsimilor etc., pentru sinteza HCI, hidrotratarea produselor petroliere, precum și la tăierea / sudarea metalelor. Cele mai importante elemente pentru energia nucleară sunt izotopii săi - tritiu și deuteriu.
Rolul biologic al hidrogenului
Aproximativ 10% din masa de organisme vii (în medie) cade pe acest element. Este parte a apei și a celor mai importante grupuri. conexiuni naturale, inclusiv proteine, acizi nucleici, lipide, carbohidrați. De ce serveste?
Acest material joacă un rol decisiv: la menținerea structurii spațiale a proteinelor (cuaternare), în implementarea principiului complimentar acizi nucleici (adică în implementare și depozitare informații genetice), în general, în "recunoaștere" la nivel molecular.
Hidrogenul Ion H + participă la reacții / procese dinamice importante în organism. Inclusiv: în oxidarea biologică, care oferă celule vii pe energie, în reacții de biosinteză, în fotosinteză în plante, în fotosinteza bacteriană și azotarea, în menținerea echilibrului acid-alcalin și homeostazia, în procesele de transport ale membranei. Împreună cu carbonul și oxigenul, acesta formează o bază funcțională și structurală a fenomenelor de viață.
Metodele industriale de obținere a substanțelor simple depind de ce formă este elementul corespunzător în natură, adică care poate fi materii prime pentru prepararea sa. Astfel, oxigenul existent în stare liberă este obținut printr-o metodă fizică - separarea de aer lichid. Hidrogenul este aproape în întregime sub formă de compuși, prin urmare, metodele chimice sunt utilizate pentru ao obține. În special, pot fi utilizate reacții de descompunere. Una dintre metodele de obținere a hidrogenului este reacția descompunerii apei prin șoc electric.
Principala metodă industrială de obținere a hidrogenului este o reacție cu apă de metan, care face parte din gazul natural. Se efectuează la temperaturi ridicate (este ușor să se asigure că atunci când metanul trece, chiar și prin apă clocotită, nu apare nicio reacție):
CH 4 + 2N 2 0 \u003d CO 2 + 4N 2 - 165 KJ
În laborator, nu neapărat materiile prime naturale sunt folosite pentru a obține substanțe simple, dar alegeți substanțele sursă, dintre care este mai ușor să selectați substanța necesară. De exemplu, în laboratorul oxigen nu este obținut din aer. Același lucru este valabil și pentru prepararea hidrogenului. Una dintre metodele de laborator pentru producerea hidrogenului, care este uneori utilizată în industria - expansiunea apei cu accident vascular cerebral electric.
De obicei, laboratoarele de hidrogen sunt obținute prin interacțiunea dintre zinc cu acid clorhidric.
În industrie
1.Electroliza sărurilor apoase:
2NACI + 2H2O → H 2 + 2NAOH + CI 2
2.Transmiterea vaporilor de apă peste cocsul fierbinte la o temperatură de aproximativ 1000 ° C:
H 2 O + C ⇄ H 2 + CO
3.Din gazele naturale.
Conversia prin abur de apă: CH4 + H20 ⇄ CO + 3H2 (1000 ° C) oxidare catalitică cu oxigen: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H2
4. Crequen și reformarea hidrocarburilor în procesul de rafinare a petrolului.
În laborator
1.Efectul acizilor diluați la metale. Pentru a efectua o astfel de reacție, zincul și acidul clorhidric sunt cel mai adesea utilizate:
ZN + 2HCI → ZNCL 2 + H 2
2.Interacțiunea de calciu cu apă:
Ca + 2H2O → CA (OH) 2 + H 2
3.Hidrizimile hidrolitice:
NaH + H20 → NaOH + H 2
4.Acțiune Alcalii pe zinc sau aluminiu:
2AL + 2NAOH + 6H2O → 2NA + 3H2 ZN + 2KOH + 2H2O → K2 + H 2
5.Cu ajutorul electrolizei. Cu electroliza soluțiilor apoase de alcaline sau acizi pe catod, hidrogenul este eliberat, de exemplu:
2H3O + + 2E - → H 2 + 2H20 o
- Bioreactor pentru producția de hidrogen
Proprietăți fizice
Hidrogenul gazos poate exista în două forme (modificări) - sub formă de orto și para-hidrogen.
În molecula ortodoria (astfel de pl. -259,10 ° C, t. Kip. -252,56 ° C) rotirile nucleare sunt direcționate în mod egal (paralel) și la paravodorod (m. Pl. -259,32 ° C, T. Kip. -252,89 ° C) - opus celorlalți (anti-paralel).
Este posibilă împărțirea formelor de altropi de hidrogen Alto într-un unghi activ la temperatura de azot lichid. La temperaturi foarte scăzute, echilibrul dintre ortopomie și impermeabil este aproape îndreptat spre acesta din urmă. La 80 la raportul formular de aproximativ 1: 1. Paradina desorbită sub încălzire se transformă într-o ortodoxidă până la formarea de echilibru la temperatura camerei (orto-abur: 75:25). Fără catalizator, transformarea apare încet, ceea ce face posibilă studierea proprietăților formelor individuale alotropice. Molecule de hidrogen Dvkhatomna - H₂. În condiții normale, este gaz fără culoare, miros și gust. Hidrogenul este cel mai simplu gaz, densitatea sa este de multe ori mai mică decât densitatea aerului. Evident, cu atât mai puțină greutate moleculele, cu atât este mai mare viteza la aceeași temperatură. Ca cea mai ușoară, moleculele de hidrogen se mișcă mai repede decât moleculele oricărui alt gaz și, astfel, mai rapide pot transmite căldură de la un corp la altul. Rezultă că hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică în rândul substanțelor gazoase. Conductivitatea termică este de aproximativ șapte ori mai mare decât conductivitatea termică a aerului.
Proprietăți chimice
Moleculele de hidrogen H₂ sunt destul de durabile și, pentru ca hidrogen să intre în reacție, ar trebui să fie cheltuită o energie mare: H2 \u003d 2N - 432 kJ, la temperaturi normale, hidrogen reacționează cu metale foarte active, de exemplu cu calciu, formând hidrură de calciu: CA + H2 \u003d San 2 și cu un singur non-metalol-fluor, care formează hidrogen fluor: F 2 + H20 \u003d 2HF cu cele mai multe metale și hidrogen ne-metale reacționează la temperaturi ridicate sau cu un efect diferit, De exemplu, atunci când iluminatul. Poate "scoate" oxigenul de la unii oxizi, de exemplu: Cuo + H 2 \u003d Cu + H 2 0 Ecuația înregistrată reflectă reacția de recuperare. Reacțiile de recuperare se numesc procese, ca urmare a căreia oxigenul este luat din compus; Substanțele consistente de oxigen sunt numite agenți reducători (în același timp înșiși sunt oxidați). Apoi, va fi dată o altă definiție a conceptelor de "oxidare" și "recuperare". Și această definiție, în primul rând, în primul rând, păstrează semnificația și acum, în special în chimie organica. Răspunsul de recuperare este opusul reacției de oxidare. Ambele reacții se desfășoară întotdeauna în același timp ca un proces: Când oxidarea (recuperarea) unei singure substanță, aceasta este definită simultan recuperarea (oxidarea) altui.
N 2 + 3H2 → 2 NH 3
Cu formulare de halogeni reproducerea halogenului:
F 2 + H2 → 2 HF, reacția se desfășoară cu o explozie în întuneric și la orice temperatură, CI2 + H2 → 2 HCI, reacția se realizează cu o explozie, numai în lumină.
Cu funingine interacționează cu încălzire puternică:
C + 2H2 → CH 4
Interacțiunea cu metalele alcaline și pământești
Forme de hidrogen cu metale active hidrides.:
Na + H 2 → 2 NAH CA + H 2 → Cah 2 mg + H 2 → MGH 2
Hidrides. - salină, solide, ușor hidrolizate:
CAH 2 + 2H2O → CA (OH) 2 + 2H 2
Interacțiuni cu oxizi de metale (de obicei D-elemente)
Oxizi sunt restaurate la metale:
CuO + H2 → Cu + H20 Fe 2 O 3 + 3H2 → 2 FE + 3H2O WO 3 + 3H2 → W + 3H20
Hidrogenarea compușilor organici
Sub acțiunea hidrogenului asupra hidrocarburilor nesaturate în prezența unui catalizator de nichel și a unei temperaturi ridicate, are loc o reacție hidrogenare:
CH2 \u003d CH2 + H 2 → CH 3-CH3
Hidrogen restabilește aldehidele la alcooli:
CH3 CHO + H 2 → C2H5 Oh.
Geochimie de hidrogen
Hidrogenul este principalul material de construcție al universului. Acesta este cel mai frecvent element și toate elementele sunt formate din ea ca rezultat al reacțiilor termonucleare și nucleare.
Hidrogenul liber H2 este relativ rar găsit în gazele Pământului, dar sub formă de apă este nevoie de o participare extrem de importantă la procesele geochimice.
Mineralele de hidrogen pot fi incluse sub formă de ioni de amoniu, hidroxil ion și apă cristalină.
În atmosferă, hidrogenul este format continuu ca rezultat al descompunerii apei prin radiații solare. Migrează la straturile superioare ale atmosferei și dispare în spațiu.
Aplicație
- Energia hidrogenului
Hidrogenul atomic este utilizat pentru sudarea atomică a hidrogenului.
ÎN industria alimentară hidrogenul este înregistrat ca aditiv alimentar E949.cum ar fi gazul de ambalare.
Caracteristici de circulație
Hidrogen la un amestec cu aer formează un amestec exploziv - așa-numitul gaz de șobolan. Acest gaz are cea mai mare explozivitate cu un volum de hidrogen și oxigen 2: 1 sau hidrogen și aerul de aproximativ 2: 5, deoarece în aerul de oxigen conține aproximativ 21%. De asemenea, hidrogenul este periculos de incendiu. Hidrogen lichid atunci când popping pe piele poate provoca degerături severe.
Concentrațiile explozive de hidrogen cu oxigen apar de la 4% la 96% volumetric. Cu un amestec cu aer de la 4% la 75 (74)% volumetric.
Folosind hidrogen
În industria chimică, hidrogenul este utilizat în producția de amoniac, săpun și materiale plastice. În industria alimentară cu hidrogen din uleiurile de legume lichide face margarina. Hidrogenul este foarte plămân și în aer se ridică întotdeauna. Uneori de aeronave și baloane umplute cu hidrogen. Dar în anii '30. Secolul XX. Au existat mai multe catastrofe groaznice atunci când aeronavele au explodat și arse. În zilele noastre, aeronavele sunt umplute cu heliu de gaz. Hidrogenul este, de asemenea, utilizat ca combustibil de rachetă. Într-o zi hidrogenul poate fi utilizat pe scară largă ca combustibil pentru pasageri și camioane. Motoarele cu hidrogen nu poluează înconjurător și alocați numai vapori de apă (deși, însăși obținerea hidrogenului duce la o anumită poluare a mediului). Soarele nostru constă în principal din hidrogen. Căldura și lumina solară sunt rezultatul eliberării energiei nucleare în timpul fuziunii nucleelor \u200b\u200bde hidrogen.
Utilizarea hidrogenului ca combustibil (eficiență economică)
Cea mai importantă caracteristică a substanțelor utilizate ca combustibil este căldura lor de combustie. De la curs chimie generală Se știe că reacția interacțiunii de hidrogen cu oxigen are loc cu eliberarea de căldură. Dacă luați 1 mol H2 (2 g) și 0,5 moli O2 (16 g) în condiții standard și excitați reacția, apoi conform ecuației
H 2 + 0,5 O 2 \u003d H20
după terminarea reacției, 1 mol H20 (18 g) se formează cu o eliberare de energie de 285,8 kJ / mol (pentru comparație: căldura arderii acetilenei este de 1300 kJ / mol, propan - 2200 kJ / mol) . 1 m³ de hidrogen cântăresc 89,8 g (44,9 mol). Prin urmare, vor fi cheltuite 12832,4 kJ de energie pentru a obține 1 m³ de hidrogen. Având în vedere faptul că 1 kW · H \u003d 3600 kJ, primim 3,56 kWh de energie electrică. Cunoașterea tarifului pentru 1 kW de energie electrică și costul de 1 m³ de gaz, este posibil să se încheie cu privire la fezabilitatea tranziției la combustibilul de hidrogen.
De exemplu, modelul experimental al generațiilor HONDA FCX 3 cu un rezervor de hidrogen 156 L (conține 3,12 kg de hidrogen sub presiune de 255 km). În consecință, 123,8 kWh este obținut de la 3,12 kg H2. La 100 km, consumul de energie va fi de 36,97 kWh. Cunoașterea costului energiei electrice, costul gazului sau benzinei, consumul lor pentru o mașină la 100 km este ușor de calculat efectul economic negativ al tranziției auto la combustibilul hidrogen. Să spunem (Rusia 2008), 10 cenți pe kWh de energie electrică conduc la faptul că 1 m³ de hidrogen duce la prețul de 35,6 cenți și ținând seama de eficiența descompunerii apei de 40-45 de cenți, același număr de kWh · H de la arderea benzinei 12832,4 kg / 42000KJ / 0.7KG / L * 80TESSUNSS / L \u003d 34 cenți la prețurile cu amănuntul, în timp ce pentru hidrogen, am calculat opțiunea perfectă, fără a lua în considerare transportul, deprecierea echipamentului etc. pentru Metan cu energia de combustie de aproximativ 39 mJ pe m³, rezultatul va fi sub două până la patru ori datorită diferenței de preț (1m³ pentru Ucraina costă 179 USD și pentru Europa 350 de dolari). Adică, o cantitate echivalentă de metan va costa 10-20 de cenți.
Cu toate acestea, nu ar trebui să uităm că atunci când ard hidrogen, ajungem apă curatădin care a fost minat. Adică avem regenerabil pPlash. Energia fără rău pentru mediu, spre deosebire de gaz sau pe benzină, care sunt surse de energie primară.
PHP pe linia 377 AVERTISMENT: Solicitați (http: //www..PhP): Nu a reușit să deschideți fluxul: Nu se poate găsi un înveliș adecvat în /hsphere/local/home/winexins/sight/tab/vodorod.php pe linia 377 Fatal Eroare: necesită (): Deschiderea eșuată necesară "http: //www..php" (include_path \u003d ".. PHP pe linia 377
Hidrogen. Proprietăți, chitanță, aplicare.Referință istorică
Hidrogen - primul element al PSHE D.I. Mendeleeva.
Denumirea rusă a hidrogenului indică faptul că "dă naștere la apă"; Latină " hydrogenium " înseamnă același lucru.
Pentru prima dată, separarea gazului combustibil în interacțiunea unor metale cu acizi a fost observată de Robert Boyle și de contemporanii săi în prima jumătate a secolului al XVI-lea.
Dar hidrogenul a fost deschis numai în 1766 de chimistul englez Henry Cavendis, care a constatat că, cu interacțiunea metalelor cu acizi diluați, unele "aer combustibil" se evidențiază. Observând arderea hidrogenului în aer, cavendish a constatat că rezultatul este apa. A fost în 1782.
În 1783, chimistul francez Antoine Laurent Lavauzier a alocat hidrogen prin descompunerea apei cu fier fierbinte. În 1789, hidrogenul a fost izolat în timpul descompunerii apei sub acțiunea curentului electric.
Prevalența în natură
Hidrogenul este elementul principal al spațiului. De exemplu, soarele este de 70% din masa sa constă din hidrogen. Atomii de hidrogen în universul mai multor zeci de mii de ori mai mult decât toți atomii tuturor metalelor combinate.În atmosfera Pământului, există și un hidrogen sub forma unei substanțe simple - compoziția gazului H 2. Hidrogenul este mult mai ușor decât aerul și, prin urmare, se găsește în straturile superioare ale atmosferei.
Dar mult mai mult pe țara hidrogenului asociat: la urma urmei, este o parte a apei, substanța complexă în sine comună pe planeta noastră. Hidrogen asociat cu molecule conțin și ulei și gaz natural, multe minerale și rocks.. Hidrogenul face parte din toată materia organică.
Caracteristicile elementului de hidrogen.
Hidrogenul are o natură duală, din acest motiv, în unele cazuri, hidrogenul este plasat într-un subgrup de metale alcaline și în altele - în subgrupul de halogen.
Configurare electronică 1s. 1 . Atomul de hidrogen constă dintr-un proton și un electron.
Atomul de hidrogen este capabil să piardă electronul și să se transforme în H + Cation, iar în acest sens este similar cu metalele alcaline.
Un atom de hidrogen poate atașa și un electron, formând un Anion H -, în acest sens, hidrogenul este similar cu halogeni.
Conexiunile sunt întotdeauna monovalente
CO: +1 și -1.
Proprietățile fizice ale hidrogenului
Hidrogenul este gaz, fără culoare, gust și miros. De 14,5 ori mai ușoare decât aerul. Puțin solubil în apă. Are o conductivitate termică ridicată. La t \u003d -253 ° C - lichefiat, la t \u003d -259 ° C - se ridică. Moleculele de hidrogen sunt atât de mici încât sunt capabile să difuzeeze încet prin multe materiale - cauciuc, sticlă, metale, care sunt utilizate la curățarea hidrogenului din alte gaze.3 ISOTOP de hidrogen sunt cunoscuți: - FTII, - deuteriu, - tritiu. Partea principală a hidrogenului natural este datorată. Deuteliul face parte din apa grea, care este îmbogățită de apele de suprafață ale oceanului. Trithium - izotop radioactiv.
Proprietățile chimice ale hidrogenului
Hidrogen - nonmetall, are o structură moleculară. Moleculele de hidrogen constă din doi atomi, interconectați printr-o legătură covalentă non-polară. Energia de legare în molecula de hidrogen este de 436 kJ / mol, ceea ce explică activitatea chimică scăzută a hidrogenului molecular.
Interacțiune cu halogeni. La temperatura normală, hidrogenul reacționează numai cu fluor:
Cu clor - numai în lumină, formând clorură, reacția este mai puțin viguros cu bromul, nu merge la capăt cu iod chiar la temperaturi ridicate.
Interacțiunea cu oxigen - atunci când este încălzit, în timpul aprinderii, reacția se realizează cu o explozie: 2H2 + O 2 \u003d 2H2 O.
Un amestec de 1 parte a oxigenului și 2 părți de hidrogen - "amestec de întărire", este cel mai exploziv.
Interacțiunea cu gri - când este încălzită H 2 + S \u003d H2S.
Interacțiunea cu azotul. Când este încălzit, presiune ridicată și în prezența unui catalizator:
Interacțiunea cu oxidul de azot (II). Utilizate în sistemele de curățare în producție acid azotic: 2NO + 2H2 \u003d N2 + 2H 2 O.
Interacțiuni cu oxizi de metale. Hidrogenul este un agent bun reducător, restabilește multe metale din oxizii lor: Cuo + H 2 \u003d Cu + H 2 O.
Un agent puternic de reducere este hidrogen atomic. Se formează din moleculară în descărcarea electrică în condiții de presiune scăzută. Activitatea de reducere ridicată are hidrogen la momentul alocăriiFormarea cu reducerea acidului cu acid.
Interacțiunea metalică . La temperaturi ridicate, este combinată cu metale alcaline și alcaline și formând substanțe cristaline albe - hidruri metalice, arătând proprietățile oxidantului: 2NA + H2 \u003d 2NAH;
Obținerea de hidrogen
În laborator:
Interacțiuni metalice cu soluțiile diluate de sulf și acizi clorhidric,
Interacțiunea dintre aluminiu sau siliciu cu soluții apoase alcalii:
Si + 2AOH + H20 \u003d Na2 Si03 + 2H2.
În industrie:
Electroliza soluțiilor apoase de cloruri de sodiu și potasiu sau electroliză a apei în timpul prezenței hidroxizilor:
2N2 o \u003d 2N 2 + O 2.
Metoda de conversie. Inițial, se obține gaz de apă, trecerea perechilor de apă prin cocs fierbinte la 1000 ° C:
Oxidul de carbon (II) este apoi oxidat în oxidul de carbon (IV), trecând un amestec de gaz de apă cu un exces de vapori de apă peste încălzit la 400-450 ° C cu FE20 3 catalizator:
CO + H20 \u003d CO 2 + H 2.
Oxidul de carbon rezultat (IV) este absorbit de apă, această metodă este obținută cu 50% hidrogen industrial.
Conversia metanului: CH4 + H20 \u003d CO + 3H2.
Descompunerea termică a metanului la 1200 ° C: CH4 \u003d C + 2H2.
Răcire profundă (până la -196 ° C) gaz de cocs. La această temperatură, toate substanțele gazoase sunt condensate, cu excepția hidrogenului.
Utilizarea hidrogenului se bazează pe proprietățile sale fizice și chimice:
ca gaz deschis, este folosit pentru a umple balonul (într-un amestec cu heliu);
flacăra de oxigen-hidrogen este utilizată pentru a obține temperaturi ridicate la sudarea metalelor;
deoarece agentul de reducere este utilizat pentru a obține metale (molibden, tungsten etc.) din oxizi;
pentru a obține amoniac și combustibil lichid artificial, pentru hidrogenarea grăsimilor.
