Proprietățile fizice ale hidrogenului. Proprietățile și aplicarea hidrogenului

Hidrogenul H este un element chimic, unul dintre cele mai comune în universul nostru. Masa hidrogenului ca element în compoziția substanțelor este de 75% din conținutul total de atomi de tip diferit. Intră în cea mai importantă și vitală legătură pe planetă - apa. O caracteristică distinctivă a hidrogenului este și faptul că acesta este primul element al sistemului periodic de elemente chimice al DI Mendeleyev.

Descoperire și cercetare

Prima mențiune a hidrogenului din scrierile lui Paracelsus datează din secolul al XVI-lea. Dar izolarea sa dintr-un amestec gazos de aer de cercetare și proprietăți inflamabile a fost făcută în oamenii de știință din secolul al XVII-lea Lemaire. Hidrogenul a studiat temeinic chimist englez si fizician om de știință Henry Cavendish, care sa dovedit empiric că masa hidrogenului mai mică în comparație cu alte gaze. În etapele ulterioare ale dezvoltării științei, mulți oameni de știință au lucrat împreună cu el, în special cu Lavoisier, care la numit "dând naștere la apă".

Caracterizare prin poziție în PSA

Elementul care deschide masa periodică a lui DI Mendeleyev este hidrogenul. Proprietățile fizice și chimice ale atomului prezintă anumite dualitate deoarece hidrogenul parte simultan din primul grup, subgrupa principal, în cazul în care se comportă ca un metal și dă un singur electron în procesul reacției chimice și a șaptea - în cazul cochiliei valență umplut complet, adică la recepție particulă negativă, care o caracterizează ca fiind similară cu cea a halogenurilor.

Caracteristicile structurii electronice a elementului

proprietăţi atom de hidrogen, substanțele complexe în care intră și cea mai simplă substanță H₂ determinată în principal de configurația electronică a hidrogenului. Particula are un electron cu Z = (-1), care se rotește în orbita sa în jurul unui nucleu care conține un proton cu masa unității și o sarcină pozitivă (+1). Configurația sa electronică este scrisă ca 1s¹, ceea ce înseamnă prezența unei particule negative pe primele și singurele s-orbite pentru hidrogenogen.

Odată cu detașarea sau reculul electronului și atomul acestui element are o astfel de proprietate încât îl face legat de metale, se obține un cation. De fapt, ionul de hidrogen este o particulă elementară pozitivă. Prin urmare, un electron lipsit de hidrogen este pur și simplu numit proton.

Proprietăți fizice

Dacă descriem proprietățile fizice hidrogen pe scurt, este un gaz incolor, puțin solubil cu o masă relativ atomică de 2, 14,5 ori mai ușor decât aerul, temperatura de lichefiere a -252.8 grade Celsius.

Este ușor de văzut din experiență că H₂ cea mai mare lumină. Pentru a face acest lucru, este suficient să umpleți trei sfere cu diferite substanțe - hidrogen, dioxid de carbon, aer obișnuit - și să le eliberați simultan de pe mâini. Cel mai rapid dintre toate va fi cel plin cu CO₂, După aceasta, amestecul de aer ars cu aer și H₂ la toate se ridică la tavan.

Masa mică și mărimea particulelor de hidrogen justifică capacitatea sa de a penetra diferite substanțe. Pe exemplul aceleiași mingi, este ușor să fii sigur că, după câteva zile, el însuși va fi răsturnat, deoarece gazul va trece pur și simplu prin cauciuc. De asemenea, hidrogenul se poate acumula în structura anumitor metale (paladiu sau platină), iar cu creșterea temperaturii se evaporă.

Proprietatea de solubilitate redusă a hidrogenului este folosită în practica de laborator pentru izolarea prin deplasare apă. Proprietăți fizice hidrogen (tabelul de mai jos prezintă parametrii principali) determină domeniul de aplicare al acesteia și metodele de producție.

Compoziție izotopică

La fel ca mulți alți membri ai sistemului periodic al elementelor chimice, hidrogenul are mai mulți izotopi naturali, adică atomi cu același număr de protoni din nucleu, dar numere diferite de neutroni - particule cu masa zero și unitatea de încărcare. Exemple de atomi care posedă o proprietate similară sunt oxigenul, carbonul, clorul, bromul și altele, inclusiv cele radioactive.

Proprietățile fizice ale hidrogenului ¹H, cel mai comun reprezentant al acestui grup, diferă semnificativ de aceleași caracteristici ale semenilor săi. În special, caracteristicile substanțelor în care sunt incluse sunt diferite. Deci, există apă obișnuită și deuterizată, conținând în compoziția sa în loc de un atom de hidrogen cu un singur deuteriu protonic ²H este izotopul său cu două particule elementare: pozitive și neîncărcate. Acest izotop este de două ori mai greu decât hidrogenul obișnuit, ceea ce explică diferența cardinală în proprietățile compușilor pe care îi compun. În natură, deuteriul este găsit de 3200 de ori mai rar decât hidrogenul. Al treilea reprezentant este tritiumul ³H, în nucleu are două neutroni și un proton.

Metode de obținere și extragere

Metode de laborator și industriale producția de hidrogen sunt destul de diferite. Astfel, în cantități mici, gazul este produs în principal prin reacții care implică minerale, iar producția pe scară largă utilizează sinteza organică într-o măsură mai mare.

Următoarele interacțiuni chimice sunt utilizate în laborator:

1. Reacția metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apă pentru a forma alcalii și gazul dorit.
2. Electroliza unei soluții apoase de electrolit, H este eliberată la anod₂urr-, iar pe catod - oxigen.
3. Descompunerea hidrurilor metale alcaline apa, produsele sunt alcaline și, în consecință, gaz H₂uarr-.
4. Interacțiunea acizilor diluați cu metale pentru a forma săruri și H₂uarr-.
5. Acțiunea alcalinilor pe siliciu, aluminiu și zinc contribuie, de asemenea, la eliberarea hidrogenului în paralel cu formarea de săruri complexe.

În interesele industriale, gazul este produs prin metode precum:

1. Descompunerea termică a metanului în prezența catalizatorului la substanțe simple constituente (350 grade atinge valoarea unui astfel de parametru ca temperatura) - hidrogen H₂uarr- și carbon C.
2. Trecerea apei de vapori prin cocs la 1000 grade Celsius cu formarea dioxidului de carbon CO₂ și H₂uarr- (metoda cea mai comună).
3. Conversia metanului gazos pe un catalizator de nichel la o temperatură care ajunge la 800 de grade.
4. Hidrogenul este un produs secundar în electroliza soluțiilor apoase de cloruri de potasiu sau de sodiu.

Interacțiuni chimice: dispoziții generale

Proprietățile fizice ale hidrogenului explică în mare măsură comportamentul său în procesele de reacție cu un anumit compus. Valența hidrogenului este egală cu 1, deoarece este localizată în primul grup din tabelul lui Mendeleev, iar gradul de oxidare este diferit. În toți compușii, cu excepția hidrurilor, hidrogenul din soia = (1+), în molecule de tip XH, XN₂, XH₃ - (1-).

Molecula de gaz hidrogen, formată prin crearea unei perechi de electroni generalizate, constă din doi atomi și este destul de stabilă din punct de vedere energetic, motiv pentru care, în condiții normale, este oarecum inert și în reacție intră când se schimbă condițiile normale. În funcție de gradul de oxidare a hidrogenului în compoziția altor substanțe, acesta poate acționa atât ca agent de oxidare cât și ca agent de reducere.

Substanțe cu care reacționează și care formează hidrogen

Interacțiuni elementare cu formarea de substanțe complexe (adesea la temperaturi ridicate):

1. Metal alcalin și alcalino-pământos + hidrogen = hidrură.
2. Halogen + H₂ = halogenură de hidrogen.
3. Sulf + hidrogen = hidrogen sulfurat.
4. Oxigen + H₂ = apă.
5. Carbon + hidrogen = metan.
6. Azot + H₂ = amoniac.

Interacțiunea cu substanțe complexe:

1. Producerea gazului de sinteză din monoxid de carbon și hidrogen.
2. Reducerea metalelor de la oxizii lor cu H₂.
3. Saturarea cu hidrogen a hidrocarburilor alifatice nesaturate.

Legătură hidrogen

Proprietățile fizice ale hidrogenului sunt de așa natură încât să permită, fiind în legătură cu un element electronegativ, pentru a forma un tip special de legătură cu același atom al moleculelor adiacente având perechi de electroni neîmpărtășite (de exemplu, oxigen, azot și fluor). Cel mai clar exemplu în care este mai bine să se ia în considerare un astfel de fenomen este apa. Se poate spune legături de hidrogen tighelite sunt mai slabe decât covalente sau ionice, dar datorită faptului că multe dintre ele au o influență semnificativă asupra proprietăților substanțelor. De fapt, o legătură de hidrogen este o interacțiune electrostatică care leagă moleculele de apă la dimeri și polimeri, justificând punctul său de fierbere ridicat.

Hidrogen în compoziția compușilor minerali

Compoziția tuturor acizilor anorganici include un cation de protoni al unui atom cum ar fi hidrogen. O substanță a cărei reziduu acid are un grad de oxidare mai mare decât (-1) se numește compus polibazic. Acesta conține mai mulți atomi de hidrogen, ceea ce face disocierea în soluții apoase în mai multe etape. Fiecare proton ulterior se detașează de restul acidului din ce în ce mai dificil. Conținutul cantitativ de hidrogen din mediu determină aciditatea acestuia.

Hidrogenul conține, de asemenea, grupe hidroxil de baze. În ele, hidrogenul este conectat la un atom de oxigen, ca urmare, gradul de oxidare a acestui reziduu alcalin este întotdeauna egal cu (-1). Conform conținutului hidroxililor în mediu, se determină bazicitatea acestuia.

Aplicarea în activitățile umane

Cilindrii cu o substanță, precum și recipientele cu alte gaze lichefiate, de exemplu oxigenul, au un aspect specific. Ele sunt pictate într-o culoare verde închisă, cu o inscripție roșu aprins "Hidrogen". Gazul este pompat într-un balon la o presiune de aproximativ 150 atmosfere. Proprietățile fizice ale hidrogenului, în special ușurința stării agregatelor gazoase, sunt utilizate pentru a-l umple cu baloane cu heliu, baloane etc. într-un amestec cu heliu.

Hidrogenul, proprietățile fizice și chimice pe care oamenii au învățat să le utilizeze cu mulți ani în urmă, este acum implicat în multe industrii. Cea mai mare parte a acestuia se referă la producerea de amoniac. De asemenea, hidrogenul participă la obținerea de metale (hafniu, germaniu, galiu, siliciu, molibden, tungsten, zirconiu și altele) ale oxizilor, vorbind în reacție ca agent reducător și o sare a acidului cianhidric, alcool metilic, precum și combustibilii lichizi artificiali. Industria alimentară o folosește pentru a transforma uleiurile vegetale în grăsimi solide.

Determinate proprietățile chimice și utilizarea hidrogenului în diverse procese de hidrogenare și hidrogenare a grăsimilor, cărbunelui, hidrocarburilor, uleiurilor și păcurii. Cu ajutorul acesteia se produc pietre prețioase, se produc lămpi cu incandescență, forjarea și sudarea produselor metalice se efectuează sub influența unei flăcări cu oxigen-hidrogen.