Sifat kimia hidrogen. Kepentingan hidrogen dalam alam semula jadi

Ia mempunyai kedudukan khususnya sendiri dalam jadual berkala, yang mencerminkan sifat yang dipamerkannya dan bercakap tentang struktur elektroniknya. Walau bagaimanapun, di antara kesemuanya terdapat satu atom khas yang menduduki dua sel sekaligus. Ia terletak dalam dua kumpulan unsur yang sama sekali bertentangan dalam sifatnya. Ini adalah hidrogen. Ciri sedemikian menjadikannya unik.

Hidrogen bukan sekadar unsur, tetapi juga bahan mudah, serta sebahagian daripada banyak sebatian kompleks, unsur biogenik dan organogenik. Oleh itu, mari kita pertimbangkan ciri dan sifatnya dengan lebih terperinci.

Hidrogen sebagai unsur kimia

Hidrogen ialah unsur kumpulan pertama subkumpulan utama, serta kumpulan ketujuh subkumpulan utama dalam tempoh kecil pertama. Tempoh ini hanya terdiri daripada dua atom: helium dan unsur yang sedang kita pertimbangkan. Mari kita terangkan ciri-ciri utama kedudukan hidrogen dalam jadual berkala.

Nombor atom hidrogen ialah 1, bilangan elektron adalah sama, dan, oleh itu, bilangan proton adalah sama. Jisim atom - 1.00795. Terdapat tiga isotop unsur ini dengan nombor jisim 1, 2, 3. Walau bagaimanapun, sifat setiap daripadanya sangat berbeza, kerana peningkatan jisim walaupun satu untuk hidrogen serta-merta dua kali ganda.
Fakta bahawa ia mengandungi hanya satu elektron pada permukaan luarnya membolehkan ia berjaya mempamerkan kedua-dua sifat pengoksidaan dan pengurangan. Di samping itu, selepas menderma elektron, ia kekal dengan orbital bebas, yang mengambil bahagian dalam pembentukan ikatan kimia mengikut mekanisme penderma-penerima.
Hidrogen adalah agen penurunan yang kuat. Oleh itu, tempat utamanya dianggap sebagai kumpulan pertama subkumpulan utama, di mana ia mengetuai logam paling aktif - alkali.
Walau bagaimanapun, apabila berinteraksi dengan agen penurunan yang kuat, seperti logam, ia juga boleh menjadi agen pengoksidaan, menerima elektron. Sebatian ini dipanggil hidrida. Menurut ciri ini, ia mengetuai subkumpulan halogen yang serupa dengannya.
Oleh kerana jisim atomnya yang sangat kecil, hidrogen dianggap sebagai unsur paling ringan. Di samping itu, ketumpatannya juga sangat rendah, jadi ia juga menjadi penanda aras untuk ringan.

Oleh itu, adalah jelas bahawa atom hidrogen adalah unsur yang benar-benar unik, tidak seperti semua unsur lain. Akibatnya, sifatnya juga istimewa, dan bahan mudah dan kompleks yang terbentuk adalah sangat penting. Mari kita pertimbangkan mereka lebih lanjut.

Bahan mudah

Jika kita bercakap tentang unsur ini sebagai molekul, maka kita mesti mengatakan bahawa ia adalah diatomik. Iaitu, hidrogen (bahan mudah) ialah gas. Formula empiriknya akan ditulis sebagai H2, dan formula grafiknya akan ditulis melalui hubungan sigma H-H tunggal. Mekanisme pembentukan ikatan antara atom adalah nonpolar kovalen.

Pembaharuan metana wap.
Pengegasan arang batu - prosesnya melibatkan pemanasan arang batu hingga 1000 0 C, menghasilkan pembentukan arang batu hidrogen dan karbon tinggi.
Elektrolisis. Kaedah ini hanya boleh digunakan untuk larutan akueus pelbagai garam, kerana pencairan tidak membawa kepada pelepasan air di katod.

Kaedah makmal untuk menghasilkan hidrogen:

Hidrolisis hidrida logam.
Kesan asid cair pada logam aktif dan aktiviti sederhana.
Interaksi logam alkali dan alkali tanah dengan air.

Untuk mengumpul hidrogen yang dihasilkan, anda mesti memegang tabung uji terbalik. Lagipun, gas ini tidak boleh dikumpulkan dengan cara yang sama seperti, sebagai contoh, karbon dioksida. Ini adalah hidrogen, ia lebih ringan daripada udara. Ia menyejat dengan cepat, dan dalam kuantiti yang banyak ia meletup apabila bercampur dengan udara. Oleh itu, tabung uji hendaklah diterbalikkan. Selepas mengisi, ia mesti ditutup dengan penyumbat getah.

Untuk memeriksa ketulenan hidrogen yang dikumpul, anda harus membawa padanan yang menyala ke leher. Jika tepuk tangan membosankan dan senyap, ini bermakna gas bersih, dengan kekotoran udara yang minimum. Jika ia kuat dan bersiul, ia adalah kotor, dengan sebahagian besar komponen asing.

Kawasan kegunaan

Apabila hidrogen dibakar, sejumlah besar tenaga (haba) dibebaskan sehingga gas ini dianggap sebagai bahan api yang paling menguntungkan. Lebih-lebih lagi, ia mesra alam. Walau bagaimanapun, sehingga kini penggunaannya dalam bidang ini adalah terhad. Ini disebabkan oleh masalah yang tidak difikirkan dan tidak dapat diselesaikan untuk mensintesis hidrogen tulen, yang sesuai untuk digunakan sebagai bahan api dalam reaktor, enjin dan peranti mudah alih, serta dandang pemanasan kediaman.

Lagipun, kaedah untuk menghasilkan gas ini agak mahal, jadi pertama sekali perlu membangunkan kaedah sintesis khas. Satu yang akan membolehkan anda mendapatkan produk dalam jumlah yang besar dan pada kos yang minimum.

Terdapat beberapa kawasan utama di mana gas yang sedang kita pertimbangkan digunakan.

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

Jelas sekali, hidrogen adalah sama pentingnya dengan ia banyak di alam semula jadi. Pelbagai sebatian yang terbentuk memainkan peranan yang lebih besar.

Sebatian hidrogen

Ini adalah bahan kompleks yang mengandungi atom hidrogen. Terdapat beberapa jenis utama bahan tersebut.

Hidrogen halida. Formula amnya ialah HHal. Yang paling penting di antara mereka ialah hidrogen klorida. Ia adalah gas yang larut dalam air untuk membentuk larutan asid hidroklorik. Asid ini digunakan secara meluas dalam hampir semua sintesis kimia. Lebih-lebih lagi, kedua-dua organik dan bukan organik. Hidrogen klorida adalah sebatian dengan formula empirik HCL dan merupakan antara yang terbesar dihasilkan di negara kita setiap tahun. Hidrogen halida juga termasuk hidrogen iodida, hidrogen fluorida dan hidrogen bromida. Kesemuanya membentuk asid yang sepadan.
Meruap Hampir kesemuanya adalah gas yang agak beracun. Contohnya, hidrogen sulfida, metana, silane, fosfin dan lain-lain. Pada masa yang sama, mereka sangat mudah terbakar.
Hidrida ialah sebatian dengan logam. Mereka tergolong dalam kelas garam.
Hidroksida: bes, asid dan sebatian amfoterik. Mereka semestinya mengandungi atom hidrogen, satu atau lebih. Contoh: NaOH, K 2, H 2 SO 4 dan lain-lain.
Hidrogen hidroksida. Sebatian ini lebih dikenali sebagai air. Nama lain ialah hidrogen oksida. Formula empirikal kelihatan seperti ini - H 2 O.
Hidrogen peroksida. Ini adalah agen pengoksidaan yang kuat, formulanya ialah H 2 O 2.
Banyak sebatian organik: hidrokarbon, protein, lemak, lipid, vitamin, hormon, minyak pati dan lain-lain.

Jelas sekali bahawa kepelbagaian sebatian unsur yang sedang kita pertimbangkan adalah sangat besar. Ini sekali lagi mengesahkan kepentingannya yang tinggi untuk alam semula jadi dan manusia, serta untuk semua makhluk hidup.

- ini adalah pelarut terbaik

Seperti yang dinyatakan di atas, nama biasa untuk bahan ini ialah air. Terdiri daripada dua atom hidrogen dan satu oksigen, disambungkan oleh ikatan polar kovalen. Molekul air adalah dipol, ini menerangkan banyak sifat yang dipamerkan. Khususnya, ia adalah pelarut universal.

Dalam persekitaran akuatik hampir semua proses kimia berlaku. Tindak balas dalaman plastik dan metabolisme tenaga dalam organisma hidup juga dijalankan menggunakan hidrogen oksida.

Air dianggap sebagai bahan yang paling penting di planet ini. Adalah diketahui bahawa tiada organisma hidup boleh hidup tanpanya. Di Bumi ia boleh wujud dalam tiga keadaan pengagregatan:

cecair;
gas (wap);
pepejal (ais).

Bergantung kepada isotop hidrogen yang termasuk dalam molekul, tiga jenis air dibezakan.

Cahaya atau protium. Isotop dengan nombor jisim 1. Formula - H 2 O. Ini adalah bentuk biasa yang digunakan oleh semua organisma.
Deuterium atau berat, formulanya ialah D 2 O. Mengandungi isotop 2 H.
Sangat berat atau tritium. Formulanya kelihatan seperti T 3 O, isotop - 3 H.

Rizab air protium segar di planet ini sangat penting. Sudah terdapat kekurangan di banyak negara. Kaedah sedang dibangunkan untuk merawat air masin untuk menghasilkan air minuman.

Hidrogen peroksida adalah ubat universal

Kompaun ini, seperti yang dinyatakan di atas, adalah agen pengoksidaan yang sangat baik. Walau bagaimanapun, dengan wakil yang kuat dia juga boleh bertindak sebagai pemulih. Di samping itu, ia mempunyai kesan bakteria yang ketara.

Nama lain untuk sebatian ini ialah peroksida. Ia adalah dalam bentuk ini bahawa ia digunakan dalam perubatan. Larutan 3% hidrat kristal kompaun yang dimaksudkan ialah ubat perubatan yang digunakan untuk merawat luka kecil bagi tujuan membasmi kuman. Walau bagaimanapun, telah terbukti bahawa ini meningkatkan masa penyembuhan luka.

Hidrogen peroksida juga digunakan dalam bahan api roket, dalam industri untuk pembasmian kuman dan pelunturan, dan sebagai agen berbuih untuk penghasilan bahan yang sesuai (buih, contohnya). Selain itu, peroksida membantu membersihkan akuarium, melunturkan rambut dan memutihkan gigi. Walau bagaimanapun, ia menyebabkan kemudaratan kepada tisu, jadi ia tidak disyorkan oleh pakar untuk tujuan ini.

Jawatan - H (Hidrogen);
Nama Latin - Hydrogenium;
Tempoh - I;
Kumpulan - 1 (Ia);
Jisim atom - 1.00794;
Nombor atom - 1;
Jejari atom = 53 petang;
Jejari kovalen = 32 petang;
Pengagihan elektron - 1s 1;
suhu lebur = -259.14°C;
takat didih = -252.87°C;
Keelektronegatifan (mengikut Pauling/menurut Alpred dan Rochow) = 2.02/-;
Keadaan pengoksidaan: +1; 0; -1;
Ketumpatan (no.) = 0.0000899 g/cm 3 ;
Isipadu molar = 14.1 cm 3 /mol.

Sebatian binari hidrogen dengan oksigen:

Hidrogen (“melahirkan air”) ditemui oleh saintis Inggeris G. Cavendish pada tahun 1766. Ia adalah unsur paling mudah dalam alam semula jadi - atom hidrogen mempunyai nukleus dan satu elektron, itulah sebabnya mengapa hidrogen adalah unsur yang paling banyak di Alam Semesta (mengandungi lebih daripada separuh jisim kebanyakan bintang).

Mengenai hidrogen kita boleh mengatakan bahawa "spool itu kecil, tetapi mahal." Walaupun "kesederhanaan", hidrogen membekalkan tenaga kepada semua makhluk hidup di Bumi - tindak balas termonuklear berterusan berlaku di Matahari di mana satu atom helium terbentuk daripada empat atom hidrogen, proses ini disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga. (untuk butiran lanjut, lihat gabungan nuklear).

Dalam kerak bumi, pecahan jisim hidrogen hanya 0.15%. Sementara itu, majoriti besar (95%) daripada semua bahan kimia yang diketahui di Bumi mengandungi satu atau lebih atom hidrogen.

Dalam sebatian dengan bukan logam (HCl, H 2 O, CH 4 ...), hidrogen memberikan satu-satunya elektronnya kepada unsur yang lebih elektronegatif, menunjukkan keadaan pengoksidaan +1 (lebih kerap), membentuk hanya ikatan kovalen (lihat Kovalen ikatan).

Dalam sebatian dengan logam (NaH, CaH 2 ...), hidrogen, sebaliknya, menerima elektron lain ke dalam satu-satunya orbital snya, dengan itu cuba melengkapkan lapisan elektroniknya, menunjukkan keadaan pengoksidaan -1 (kurang kerap), sering membentuk ikatan ionik (lihat ikatan ionik), kerana perbezaan keelektronegatifan atom hidrogen dan atom logam boleh menjadi agak besar.

H 2

Dalam keadaan gas, hidrogen wujud dalam bentuk molekul diatomik, membentuk ikatan kovalen nonpolar.

Molekul hidrogen mempunyai:

mobiliti yang hebat;
kekuatan besar;
kebolehpolaran rendah;
saiz kecil dan berat.

Sifat-sifat gas hidrogen:

gas paling ringan dalam alam semula jadi, tidak berwarna dan tidak berbau;
kurang larut dalam air dan pelarut organik;
larut dalam jumlah kecil dalam logam cecair dan pepejal (terutamanya platinum dan paladium);
sukar untuk mencairkan (kerana kebolehpolarannya yang rendah);
mempunyai kekonduksian terma tertinggi daripada semua gas yang diketahui;
apabila dipanaskan, ia bertindak balas dengan banyak bukan logam, menunjukkan sifat agen pengurangan;
pada suhu bilik ia bertindak balas dengan fluorin (letupan berlaku): H 2 + F 2 = 2HF;
bertindak balas dengan logam untuk membentuk hidrida, menunjukkan sifat pengoksidaan: H 2 + Ca = CaH 2 ;

Dalam sebatian, hidrogen mempamerkan sifat pengurangannya dengan lebih kuat daripada sifat pengoksidaannya. Hidrogen adalah agen penurun yang paling berkuasa selepas arang batu, aluminium dan kalsium. Sifat pengurangan hidrogen digunakan secara meluas dalam industri untuk mendapatkan logam dan bukan logam (bahan mudah) daripada oksida dan gallides.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Tindak balas hidrogen dengan bahan mudah

Hidrogen menerima elektron, memainkan peranan agen pengurangan, dalam tindak balas:

Dengan oksigen(apabila dinyalakan atau dengan kehadiran mangkin), dalam nisbah 2:1 (hidrogen:oksigen) gas meletup meletup terbentuk: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
Dengan kelabu(apabila dipanaskan hingga 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
Dengan klorin(apabila dinyalakan atau disinari dengan sinaran UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
Dengan fluorin: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
Dengan nitrogen(apabila dipanaskan dengan kehadiran pemangkin atau pada tekanan tinggi): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Hidrogen menderma elektron, memainkan peranan agen pengoksidaan, dalam tindak balas dengan beralkali Dan tanah beralkali logam untuk membentuk hidrida logam - sebatian ion seperti garam yang mengandungi ion H hidrida - ini adalah bahan kristal putih yang tidak stabil.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Ia bukan tipikal untuk hidrogen menunjukkan keadaan pengoksidaan -1. Apabila bertindak balas dengan air, hidrida terurai, mengurangkan air kepada hidrogen. Tindak balas kalsium hidrida dengan air adalah seperti berikut:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Tindak balas hidrogen dengan bahan kompleks

pada suhu tinggi, hidrogen mengurangkan banyak oksida logam: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
metil alkohol diperolehi melalui tindak balas hidrogen dengan karbon monoksida (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
Dalam tindak balas penghidrogenan, hidrogen bertindak balas dengan banyak bahan organik.

Persamaan tindak balas kimia hidrogen dan sebatiannya dibincangkan dengan lebih terperinci pada halaman "Hidrogen dan sebatiannya - persamaan tindak balas kimia yang melibatkan hidrogen."

Aplikasi hidrogen

dalam tenaga nuklear, isotop hidrogen digunakan - deuterium dan tritium;
dalam industri kimia, hidrogen digunakan untuk sintesis banyak bahan organik, ammonia, hidrogen klorida;
dalam industri makanan, hidrogen digunakan dalam pengeluaran lemak pepejal melalui penghidrogenan minyak sayuran;
untuk mengimpal dan memotong logam, suhu pembakaran tinggi hidrogen dalam oksigen (2600°C) digunakan;
dalam pengeluaran beberapa logam, hidrogen digunakan sebagai agen penurunan (lihat di atas);
memandangkan hidrogen ialah gas ringan, ia digunakan dalam aeronautik sebagai pengisi untuk belon, aerostat dan kapal udara;
Hidrogen digunakan sebagai bahan api bercampur dengan CO.

Baru-baru ini, saintis telah memberi banyak perhatian kepada pencarian sumber alternatif tenaga boleh diperbaharui. Salah satu kawasan yang menjanjikan ialah tenaga "hidrogen", di mana hidrogen digunakan sebagai bahan api, hasil pembakarannya adalah air biasa.

Kaedah untuk menghasilkan hidrogen

Kaedah industri untuk menghasilkan hidrogen:

penukaran metana (pengurangan pemangkin wap air) dengan wap air pada suhu tinggi (800°C) pada mangkin nikel: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
penukaran karbon monoksida dengan wap air (t=500°C) pada mangkin Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
penguraian haba metana: CH 4 = C + 2H 2;
pengegasan bahan api pepejal (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
elektrolisis air (kaedah yang sangat mahal yang menghasilkan hidrogen yang sangat tulen): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Kaedah makmal untuk menghasilkan hidrogen:

tindakan ke atas logam (biasanya zink) dengan asid sulfurik hidroklorik atau cair: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
interaksi wap air dengan pemfailan besi panas: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Apabila mula mempertimbangkan sifat kimia dan fizikal hidrogen, perlu diperhatikan bahawa dalam keadaan biasa, unsur kimia ini dalam bentuk gas. Gas hidrogen tidak berwarna tidak berbau dan tidak berasa. Buat pertama kalinya, unsur kimia ini dinamakan hidrogen selepas saintis A. Lavoisier menjalankan eksperimen dengan air, akibatnya sains dunia mengetahui bahawa air adalah cecair berbilang komponen yang mengandungi Hidrogen. Peristiwa ini berlaku pada tahun 1787, tetapi lama sebelum tarikh ini hidrogen diketahui oleh saintis di bawah nama "gas mudah terbakar".

Hidrogen dalam alam semula jadi

Menurut saintis, hidrogen terkandung dalam kerak bumi dan dalam air (kira-kira 11.2% daripada jumlah isipadu air). Gas ini adalah sebahagian daripada banyak mineral yang telah diekstrak oleh manusia dari perut bumi selama berabad-abad. Beberapa sifat hidrogen adalah ciri minyak, gas asli dan tanah liat, dan organisma haiwan dan tumbuhan. Tetapi dalam bentuk tulennya, iaitu, tidak digabungkan dengan unsur kimia lain dalam jadual berkala, gas ini sangat jarang berlaku. Gas ini boleh datang ke permukaan bumi semasa letusan gunung berapi. Hidrogen bebas terdapat di atmosfera dalam kuantiti yang boleh diabaikan.

Sifat kimia hidrogen

Oleh kerana sifat kimia hidrogen adalah heterogen, unsur kimia ini tergolong dalam kedua-dua kumpulan I sistem Mendeleev dan kumpulan VII sistem. Sebagai ahli kumpulan pertama, hidrogen pada asasnya ialah logam alkali yang mempunyai keadaan pengoksidaan +1 dalam kebanyakan sebatian di mana ia ditemui. Valensi yang sama adalah ciri natrium dan logam alkali lain. Oleh kerana sifat kimia ini, hidrogen dianggap sebagai unsur yang serupa dengan logam ini.

Jika kita bercakap tentang hidrida logam, maka ion hidrogen mempunyai valensi negatif - keadaan pengoksidaannya ialah -1. Na+H- dibina mengikut skema yang sama seperti Na+Cl- klorida. Fakta ini adalah sebab untuk menetapkan hidrogen kepada kumpulan VII sistem berkala. Hidrogen, berada dalam keadaan molekul, dengan syarat ia berada dalam persekitaran biasa, tidak aktif, dan boleh bergabung secara eksklusif dengan bukan logam yang lebih aktif untuknya. Logam ini termasuk fluorin dengan kehadiran cahaya, hidrogen bergabung dengan klorin. Jika hidrogen dipanaskan, ia menjadi lebih aktif, bertindak balas dengan banyak unsur jadual berkala Mendeleev.

Hidrogen atom mempamerkan sifat kimia yang lebih aktif daripada hidrogen molekul. Molekul oksigen membentuk air - H2 + 1/2O2 = H2O. Apabila hidrogen berinteraksi dengan halogen, hidrogen halida H2 + Cl2 = 2HCl terbentuk, dan hidrogen memasuki tindak balas ini dalam ketiadaan cahaya dan pada suhu negatif yang agak tinggi - sehingga - 252°C. Sifat kimia hidrogen memungkinkan untuk menggunakannya untuk pengurangan banyak logam, kerana apabila ia bertindak balas, hidrogen menyerap oksigen daripada oksida logam, sebagai contoh, CuO + H2 = Cu + H2O. Hidrogen mengambil bahagian dalam pembentukan ammonia dengan berinteraksi dengan nitrogen dalam tindak balas ZH2 + N2 = 2NH3, tetapi dengan syarat bahawa pemangkin digunakan dan suhu dan tekanan meningkat.

Tindak balas yang kuat berlaku apabila hidrogen bertindak balas dengan sulfur dalam tindak balas H2 + S = H2S, yang menghasilkan hidrogen sulfida. Interaksi hidrogen dengan telurium dan selenium kurang aktif sedikit. Sekiranya tiada pemangkin, maka ia bertindak balas dengan karbon tulen, hidrogen hanya di bawah keadaan suhu tinggi dicipta. 2H2 + C (amorfus) = CH4 (metana). Semasa aktiviti hidrogen dengan beberapa alkali dan logam lain, hidrida diperoleh, contohnya, H2 + 2Li = 2LiH.

Sifat fizikal hidrogen

Hidrogen adalah bahan kimia yang sangat ringan. Sekurang-kurangnya, saintis mengatakan bahawa pada masa ini, tidak ada bahan yang lebih ringan daripada hidrogen. Jisimnya adalah 14.4 kali lebih ringan daripada udara, ketumpatannya ialah 0.0899 g/l pada 0°C. Pada suhu -259.1°C, hidrogen mampu mencairkan - ini adalah suhu yang sangat kritikal, yang tidak tipikal untuk transformasi kebanyakan sebatian kimia dari satu keadaan ke keadaan yang lain. Hanya unsur seperti helium melebihi sifat fizikal hidrogen dalam hal ini. Pencairan hidrogen adalah sukar, kerana suhu kritikalnya ialah (-240°C). Hidrogen adalah gas yang paling banyak menghantar haba yang diketahui manusia. Semua sifat yang diterangkan di atas adalah sifat fizikal hidrogen yang paling ketara yang digunakan oleh manusia untuk tujuan tertentu. Juga, sifat-sifat ini adalah yang paling relevan untuk sains moden.

Hidrogen ditemui pada separuh kedua abad ke-18 oleh saintis Inggeris dalam bidang fizik dan kimia G. Cavendish. Dia berjaya mengasingkan bahan itu dalam keadaan tulen, mula mengkajinya dan menerangkan sifatnya.

Ini adalah kisah penemuan hidrogen. Semasa eksperimen, penyelidik menentukan bahawa ia adalah gas mudah terbakar, pembakarannya di udara menghasilkan air. Ini membawa kepada penentuan komposisi kualitatif air.

Apa itu hidrogen

Ahli kimia Perancis A. Lavoisier pertama kali mengumumkan hidrogen sebagai bahan ringkas pada tahun 1784, kerana dia menentukan bahawa molekulnya mengandungi atom jenis yang sama.

Nama unsur kimia dalam bahasa Latin berbunyi seperti hidrogenium (baca "hydrogenium"), yang bermaksud "pemberi air." Nama itu merujuk kepada tindak balas pembakaran yang menghasilkan air.

Ciri-ciri hidrogen

Penetapan hidrogen N. Mendeleev memberikan nombor atom pertama kepada unsur kimia ini, meletakkannya dalam subkumpulan utama kumpulan pertama dan tempoh pertama dan bersyarat dalam subkumpulan utama kumpulan ketujuh.

Berat atom (jisim atom) hidrogen ialah 1.00797. Berat molekul H2 ialah 2 a. e. Jisim molar adalah sama dengannya.

Ia diwakili oleh tiga isotop yang mempunyai nama khas: protium yang paling biasa (H), deuterium berat (D), tritium radioaktif (T).

Ia adalah unsur pertama yang boleh dipisahkan sepenuhnya kepada isotop dengan cara yang mudah. Ia berdasarkan perbezaan jisim isotop yang tinggi. Proses ini pertama kali dijalankan pada tahun 1933. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa hanya pada tahun 1932 isotop dengan jisim 2 ditemui.

Sifat fizikal

Dalam keadaan biasa, bahan ringkas hidrogen dalam bentuk molekul diatomik adalah gas, tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau. Sedikit larut dalam air dan pelarut lain.

Suhu penghabluran - 259.2 o C, takat didih - 252.8 o C. Diameter molekul hidrogen adalah sangat kecil sehingga mereka mempunyai keupayaan untuk meresap secara perlahan melalui beberapa bahan (getah, kaca, logam). Sifat ini digunakan apabila perlu untuk membersihkan hidrogen daripada kekotoran gas. Apabila n. u. hidrogen mempunyai ketumpatan 0.09 kg/m3.

Adakah mungkin untuk mengubah hidrogen menjadi logam dengan analogi dengan unsur-unsur yang terletak dalam kumpulan pertama? Para saintis telah mendapati bahawa hidrogen, dalam keadaan apabila tekanan menghampiri 2 juta atmosfera, mula menyerap sinar inframerah, yang menunjukkan polarisasi molekul bahan. Mungkin, pada tekanan yang lebih tinggi, hidrogen akan menjadi logam.

Ini menarik: terdapat andaian bahawa pada planet gergasi, Musytari dan Zuhal, hidrogen ditemui dalam bentuk logam. Diandaikan bahawa hidrogen pepejal logam juga terdapat dalam teras bumi, disebabkan oleh tekanan ultra tinggi yang dicipta oleh mantel bumi.

Sifat kimia

Kedua-dua bahan mudah dan kompleks memasuki interaksi kimia dengan hidrogen. Tetapi aktiviti hidrogen yang rendah perlu ditingkatkan dengan mewujudkan keadaan yang sesuai - meningkatkan suhu, menggunakan pemangkin, dsb.

Apabila dipanaskan, bahan mudah seperti oksigen (O 2), klorin (Cl 2), nitrogen (N 2), sulfur (S) bertindak balas dengan hidrogen.

Jika anda menyalakan hidrogen tulen pada hujung tiub keluar gas di udara, ia akan terbakar sama rata, tetapi hampir tidak ketara. Jika anda meletakkan tiub keluar gas dalam suasana oksigen tulen, maka pembakaran akan diteruskan dengan pembentukan titisan air di dinding kapal, akibat tindak balas:

Pembakaran air disertai dengan pembebasan sejumlah besar haba. Ini adalah tindak balas sebatian eksotermik di mana hidrogen dioksidakan oleh oksigen untuk membentuk oksida H 2 O. Ia juga merupakan tindak balas redoks di mana hidrogen teroksida dan oksigen dikurangkan.

Tindak balas dengan Cl 2 berlaku sama untuk membentuk hidrogen klorida.

Interaksi nitrogen dengan hidrogen memerlukan suhu tinggi dan tekanan tinggi, serta kehadiran mangkin. Hasilnya ialah ammonia.

Hasil daripada tindak balas dengan sulfur, hidrogen sulfida terbentuk, pengiktirafannya difasilitasi oleh bau ciri telur busuk.

Keadaan pengoksidaan hidrogen dalam tindak balas ini ialah +1, dan dalam hidrida yang diterangkan di bawah - 1.

Apabila bertindak balas dengan beberapa logam, hidrida terbentuk, contohnya, natrium hidrida - NaH. Sebahagian daripada sebatian kompleks ini digunakan sebagai bahan api untuk roket, serta dalam kuasa termonuklear.

Hidrogen juga bertindak balas dengan bahan daripada kategori kompleks. Contohnya, dengan kuprum (II) oksida, formula CuO. Untuk menjalankan tindak balas, kuprum hidrogen disalurkan ke atas serbuk kuprum (II) oksida yang dipanaskan. Semasa interaksi, reagen bertukar warna dan menjadi merah-coklat, dan titisan air mengendap di dinding sejuk tabung uji.

Hidrogen teroksida semasa tindak balas, membentuk air, dan kuprum dikurangkan daripada oksida kepada bahan ringkas (Cu).

Aplikasi

Hidrogen sangat penting untuk manusia dan digunakan dalam pelbagai bidang:

Dalam pengeluaran kimia ia adalah bahan mentah, dalam industri lain ia adalah bahan api. Perusahaan petrokimia dan penapisan minyak tidak boleh dilakukan tanpa hidrogen.
Dalam industri kuasa elektrik, bahan mudah ini bertindak sebagai agen penyejuk.
Dalam metalurgi ferus dan bukan ferus, hidrogen memainkan peranan sebagai agen pengurangan.
Ini membantu mewujudkan persekitaran lengai semasa membungkus produk.
Industri farmaseutikal - menggunakan hidrogen sebagai reagen dalam penghasilan hidrogen peroksida.
Belon cuaca dipenuhi dengan gas ringan ini.
Elemen ini juga dikenali sebagai pengurang bahan api untuk enjin roket.

Para saintis sebulat suara meramalkan bahawa bahan api hidrogen akan menerajui sektor tenaga.

Penerimaan dalam industri

Dalam industri, hidrogen dihasilkan melalui elektrolisis, yang tertakluk kepada klorida atau hidroksida logam alkali yang dilarutkan dalam air. Ia juga mungkin untuk mendapatkan hidrogen terus daripada air menggunakan kaedah ini.

Penukaran kok atau metana dengan wap air digunakan untuk tujuan ini. Penguraian metana pada suhu tinggi juga menghasilkan hidrogen. Pencairan gas ketuhar kok dengan kaedah pecahan juga digunakan untuk pengeluaran industri hidrogen.

Diperolehi di makmal

Di makmal, radas Kipp digunakan untuk menghasilkan hidrogen.

Reagen adalah asid hidroklorik atau sulfurik dan zink. Tindak balas menghasilkan hidrogen.

Mencari hidrogen dalam alam semula jadi

Hidrogen adalah lebih biasa daripada unsur lain di Alam Semesta. Sebahagian besar bintang, termasuk Matahari, dan badan kosmik lain adalah hidrogen.

Dalam kerak bumi hanya 0.15%. Ia terdapat dalam banyak mineral, dalam semua bahan organik, dan juga dalam air, yang meliputi 3/4 permukaan planet kita.

Jejak hidrogen tulen boleh didapati di atmosfera atas. Ia juga terdapat dalam beberapa gas asli mudah terbakar.

Hidrogen gas adalah yang paling kurang tumpat, dan hidrogen cecair ialah bahan paling tumpat di planet kita. Dengan bantuan hidrogen, anda boleh menukar timbre suara anda jika anda menyedutnya dan bercakap semasa anda menghembus nafas.

Bom hidrogen yang paling berkuasa adalah berdasarkan pemisahan atom paling ringan.

Hidrogen H ialah unsur kimia, salah satu yang paling biasa di Alam Semesta kita. Jisim hidrogen sebagai unsur dalam komposisi bahan ialah 75% daripada jumlah kandungan atom jenis lain. Ia adalah sebahagian daripada sebatian yang paling penting dan penting di planet ini - air. Ciri tersendiri bagi hidrogen juga ialah ia merupakan unsur pertama dalam sistem berkala unsur kimia D.I Mendeleev.

Penemuan dan penerokaan

Sebutan pertama hidrogen dalam tulisan Paracelsus bermula pada abad keenam belas. Tetapi pengasingannya daripada campuran gas udara dan kajian sifat mudah terbakar telah dijalankan pada abad ketujuh belas oleh saintis Lemery. Hidrogen telah dikaji secara menyeluruh oleh seorang ahli kimia, fizik dan saintis semula jadi Inggeris yang secara eksperimen membuktikan bahawa jisim hidrogen adalah yang paling kecil berbanding dengan gas lain. Dalam peringkat perkembangan sains yang seterusnya, ramai saintis bekerja dengannya, khususnya Lavoisier, yang memanggilnya "pelahir air."

Ciri-ciri mengikut jawatan dalam PSHE

Unsur yang membuka jadual berkala D.I Mendeleev ialah hidrogen. Sifat fizikal dan kimia atom menunjukkan dualiti tertentu, kerana hidrogen secara serentak diklasifikasikan sebagai milik kumpulan pertama, subkumpulan utama, jika ia berkelakuan seperti logam dan melepaskan satu elektron dalam proses tindak balas kimia, dan ke ketujuh - dalam kes pengisian lengkap cangkang valensi, iaitu, zarah negatif penerimaan, yang mencirikannya sebagai serupa dengan halogen.

Ciri-ciri struktur elektronik unsur

Sifat bahan kompleks di mana ia dimasukkan, dan bahan termudah H2, terutamanya ditentukan oleh konfigurasi elektronik hidrogen. Zarah itu mempunyai satu elektron dengan Z= (-1), yang berputar di orbitnya mengelilingi nukleus yang mengandungi satu proton dengan jisim unit dan cas positif (+1). Konfigurasi elektroniknya ditulis sebagai 1s 1, yang bermaksud kehadiran satu zarah negatif dalam orbital s yang pertama dan satu-satunya untuk hidrogen.

Apabila elektron dikeluarkan atau diserahkan, dan atom unsur ini mempunyai sifat sedemikian sehingga ia berkaitan dengan logam, kation diperoleh. Pada dasarnya, ion hidrogen adalah zarah asas positif. Oleh itu, hidrogen yang tidak mempunyai elektron dipanggil proton.

Sifat fizikal

Untuk menerangkan hidrogen secara ringkas, ia adalah gas tidak berwarna, sedikit larut dengan jisim atom relatif 2, 14.5 kali lebih ringan daripada udara, dengan suhu pencairan -252.8 darjah Celsius.

Daripada pengalaman anda boleh mengesahkan dengan mudah bahawa H 2 adalah yang paling ringan. Untuk melakukan ini, cukup untuk mengisi tiga bola dengan pelbagai bahan - hidrogen, karbon dioksida, udara biasa - dan pada masa yang sama melepaskannya dari tangan anda. Yang diisi dengan CO 2 akan sampai ke tanah paling cepat, selepas itu yang ditiup dengan campuran udara akan turun, dan yang mengandungi H 2 akan naik ke siling.

Jisim dan saiz zarah hidrogen yang kecil membenarkan keupayaannya untuk menembusi pelbagai bahan. Menggunakan contoh bola yang sama, adalah mudah untuk mengesahkan ini selepas beberapa hari ia akan mengempis dengan sendirinya, kerana gas hanya akan melalui getah. Hidrogen juga boleh terkumpul dalam struktur beberapa logam (paladium atau platinum), dan menyejat daripadanya apabila suhu meningkat.

Sifat keterlarutan rendah hidrogen digunakan dalam amalan makmal untuk mengasingkannya dengan menyesarkan hidrogen (jadual yang ditunjukkan di bawah mengandungi parameter utama) untuk menentukan skop penggunaan dan kaedah pengeluarannya.

Parameter atom atau molekul bahan ringkas	Maknanya
Jisim atom (jisim molar)	1.008 g/mol
Konfigurasi elektronik	1s 1
Kekisi kristal	Heksagon
Kekonduksian terma	(300 K) 0.1815 W/(m K)
Ketumpatan pada n. u.	0.08987 g/l
Takat didih	-252.76 °C
Haba pembakaran tertentu	120.9 10 6 J/kg
Takat lebur	-259.2 °C
Keterlarutan dalam air	18.8 ml/l

Komposisi isotop

Seperti banyak wakil lain sistem berkala unsur kimia, hidrogen mempunyai beberapa isotop semula jadi, iaitu atom dengan bilangan proton yang sama dalam nukleus, tetapi bilangan neutron yang berbeza - zarah dengan cas sifar dan jisim unit. Contoh atom yang mempunyai sifat yang serupa ialah oksigen, karbon, klorin, bromin dan lain-lain, termasuk yang radioaktif.

Sifat fizikal hidrogen 1H, yang paling biasa daripada wakil kumpulan ini, berbeza dengan ketara daripada ciri-ciri yang sama dengan rakan sejawatannya. Khususnya, ciri-ciri bahan yang terkandung di dalamnya berbeza. Oleh itu, terdapat air biasa dan deuterated, yang mengandungi, bukannya atom hidrogen dengan proton tunggal, deuterium 2 H - isotopnya dengan dua zarah asas: positif dan tidak bercas. Isotop ini adalah dua kali lebih berat daripada hidrogen biasa, yang menerangkan perbezaan dramatik dalam sifat-sifat sebatian yang membentuknya. Secara semula jadi, deuterium didapati 3200 kali lebih kerap daripada hidrogen. Wakil ketiga ialah tritium 3H ia mempunyai dua neutron dan satu proton dalam nukleusnya.

Kaedah pengeluaran dan pengasingan

Kaedah makmal dan industri agak berbeza. Oleh itu, gas dihasilkan dalam kuantiti yang kecil terutamanya melalui tindak balas yang melibatkan bahan mineral, manakala pengeluaran berskala besar menggunakan sintesis organik pada tahap yang lebih besar.

Interaksi kimia berikut digunakan dalam makmal:

Untuk tujuan perindustrian, gas dihasilkan dengan kaedah berikut:

Penguraian terma metana dengan kehadiran pemangkin kepada bahan ringkas konstituennya (nilai penunjuk seperti suhu mencapai 350 darjah) - hidrogen H2 dan karbon C.
Melewati air berwap melalui kok pada 1000 darjah Celsius untuk membentuk karbon dioksida CO 2 dan H 2 (kaedah yang paling biasa).
Penukaran gas metana pada mangkin nikel pada suhu mencecah 800 darjah.
Hidrogen ialah hasil sampingan daripada elektrolisis larutan akueus kalium atau natrium klorida.

Interaksi kimia: peruntukan am

Sifat fizikal hidrogen sebahagian besarnya menerangkan kelakuannya dalam proses tindak balas dengan sebatian tertentu. Valensi hidrogen ialah 1, kerana ia terletak dalam kumpulan pertama dalam jadual berkala, dan tahap pengoksidaan berbeza-beza. Dalam semua sebatian, kecuali hidrida, hidrogen dalam d.o., dalam molekul jenis CN, CN 2, CN 3 - (1-).

Molekul gas hidrogen, yang terbentuk dengan mencipta pasangan elektron umum, terdiri daripada dua atom dan agak stabil secara bertenaga, itulah sebabnya dalam keadaan biasa ia agak lengai dan bertindak balas apabila keadaan normal berubah. Bergantung pada tahap pengoksidaan hidrogen dalam komposisi bahan lain, ia boleh bertindak sebagai agen pengoksidaan dan agen penurunan.

Bahan yang hidrogen bertindak balas dan terbentuk

Interaksi unsur untuk membentuk bahan kompleks (selalunya pada suhu tinggi):

Logam alkali dan alkali tanah + hidrogen = hidrida.
Halogen + H 2 = hidrogen halida.
Sulfur + hidrogen = hidrogen sulfida.
Oksigen + H 2 = air.
Karbon + hidrogen = metana.
Nitrogen + H 2 = ammonia.

Interaksi dengan bahan kompleks:

Penghasilan gas sintesis daripada karbon monoksida dan hidrogen.
Pengurangan logam daripada oksidanya menggunakan H 2.
Ketepuan hidrokarbon alifatik tak tepu dengan hidrogen.

Ikatan hidrogen

Sifat fizikal hidrogen adalah sedemikian rupa sehingga membolehkannya, apabila digabungkan dengan unsur elektronegatif, untuk membentuk jenis ikatan khas dengan atom yang sama daripada molekul jiran yang mempunyai pasangan elektron tunggal (contohnya, oksigen, nitrogen dan fluorin). Contoh paling jelas di mana lebih baik untuk mempertimbangkan fenomena ini ialah air. Ia boleh dikatakan dijahit dengan ikatan hidrogen, yang lebih lemah daripada kovalen atau ion, tetapi disebabkan oleh fakta bahawa terdapat banyak daripada mereka, ia mempunyai kesan yang ketara terhadap sifat bahan. Pada asasnya, ikatan hidrogen ialah interaksi elektrostatik yang mengikat molekul air menjadi dimer dan polimer, menimbulkan takat didihnya yang tinggi.

Hidrogen dalam sebatian mineral

Semuanya mengandungi proton, kation atom seperti hidrogen. Bahan yang sisa berasidnya mempunyai keadaan pengoksidaan lebih besar daripada (-1) dipanggil sebatian polibes. Ia mengandungi beberapa atom hidrogen, yang menjadikan pemisahan dalam larutan akueus berbilang peringkat. Setiap proton seterusnya menjadi semakin sukar untuk dikeluarkan daripada sisa asid. Kandungan kuantitatif hidrogen dalam medium menentukan keasidannya.

Aplikasi dalam aktiviti manusia

Silinder dengan bahan, serta bekas dengan gas cecair lain, seperti oksigen, mempunyai rupa khusus. Mereka dicat hijau gelap dengan perkataan "Hidrogen" yang ditulis dalam warna merah terang. Gas dipam ke dalam silinder di bawah tekanan kira-kira 150 atmosfera. Sifat fizikal hidrogen, khususnya ringannya keadaan gas pengagregatan, digunakan untuk mengisi belon, belon, dsb. dengannya bercampur dengan helium.

Hidrogen, sifat fizikal dan kimia yang digunakan oleh orang ramai bertahun-tahun yang lalu, kini digunakan dalam banyak industri. Sebahagian besarnya pergi ke pengeluaran ammonia. Hidrogen juga mengambil bahagian dalam (hafnium, germanium, galium, silikon, molibdenum, tungsten, zirkonium dan lain-lain) oksida, bertindak dalam tindak balas sebagai agen pengurangan, asid hidrosianik dan hidroklorik, serta bahan api cecair tiruan. Industri makanan menggunakannya untuk menukar minyak sayuran kepada lemak pepejal.

Sifat kimia dan penggunaan hidrogen dalam pelbagai proses penghidrogenan dan penghidrogenan lemak, arang batu, hidrokarbon, minyak dan minyak bahan api telah ditentukan. Ia digunakan untuk menghasilkan batu berharga, lampu pijar, dan menempa dan mengimpal produk logam di bawah pengaruh nyalaan oksigen-hidrogen.