În condiții normale, hidrogenul reacționează cu. Hidrogen: proprietăți fizice și chimice

Hidrogenul este o substanță simplă H 2 (dihidrogen, diproțiu, hidrogen ușor).

Scurt caracteristica hidrogenului:

• Metaloid.
• Un gaz incolor greu de lichefiat.
• Puțin solubil în apă.
• Se dizolvă mai bine în solvenți organici.
• Chimisorbite de metale: fier, nichel, platină, paladiu.
• Agent reducător puternic.
• Interacționează (la temperaturi ridicate) cu nemetale, metale, oxizi de metal.
• Hidrogenul atomic H 0, obținut prin descompunerea termică a H 2, are cea mai mare capacitate de reducere.
• Izotopi ai hidrogenului:
  • 1 H - protiu
  • 2 H - deuteriu (D)
  • 3 H - tritiu (T)
• Greutate moleculară relativă = 2,016
• Densitatea relativă a hidrogenului solid (t = -260 ° C) = 0,08667
• Densitatea relativă a hidrogenului lichid (t = -253 ° C) = 0,07108
• Suprapresiune (n.a.) = 0,08988 g/l
• punct de topire = -259,19 ° C
• punctul de fierbere = -252,87 ° C
• Coeficientul volumetric de solubilitate a hidrogenului:
  • (t = 0°C) = 2,15;
  • (t = 20°C) = 1,82;
  • (t = 60°C) = 1,60;

1. Descompunere termică hidrogen(t = 2000-3500 ° C):
H2↔2H0

2. Interacțiunea hidrogenului cu nemetale:

• H2 + F2 = 2HF (t = -250 .. + 20 ° C)
• H2 + Cl2 = 2HCl (la ardere sau la lumină la temperatura camerei):
  • CI2 = 2CI0
  • CI0 + H2 = HCI + H0
  • H0 + CI2 = HCI + CI0
• H2 + Br2 = 2HBr (t = 350-500 °C, catalizator de platină)
• H2 + I2 = 2HI (t = 350-500 °C, catalizator de platină)
• H2 + O2 = 2H2O:
  • H2 + O2 = 2OH 0
  • OH0 + H2 = H2O + H0
  • H0 + O2 = OH0 + O0
  • O0 + H2 = OH0 + H0
• H 2 + S = H 2 S (t = 150..200 ° C)
• 3H 2 + N 2 = 2NH 3 (t = 500 ° C, catalizator de fier)
• 2H 2 + C (cocs) = CH 4 (t = 600 ° C, catalizator de platină)
• H 2 + 2C (cocs) = C 2 H 2 (t = 1500..2000 ° C)
• H 2 + 2C (cocs) + N 2 = 2HCN (t mai mult de 1800 ° C)

3. Interacțiunea hidrogenului cu substanțe complexe:

• 4H 2 + (Fe II Fe 2 III) O 4 = 3Fe + 4H 2 O (t mai mult de 570 ° C)
• H 2 + Ag 2 SO 4 = 2Ag + H 2 SO 4 (t mai mult de 200 ° C)
• 4H 2 + 2Na 2 SO 4 = Na 2 S + 4H 2 O (t = 550-600 ° C, catalizator Fe 2 O 3)
• 3H 2 + 2BCl 3 = 2B + 6HCl (t = 800-1200 ° C)
• H 2 + 2EuCl 3 = 2EuCl 2 + 2HCl (t = 270 ° C)
• 4H 2 + CO 2 = CH 4 + 2H 2 O (t = 200 ° C, catalizator CuO 2)
• H 2 + CaC 2 = Ca + C 2 H 2 (t mai mult de 2200 ° C)
• H 2 + BaH 2 = Ba (H 2) 2 (t până la 0 ° C, soluție)

4. Participarea hidrogenului în reacții redox:

• 2H 0 (Zn, HCI dil.) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O
• 8H 0 (Al, conc. KOH) + KNO 3 = NH 3 + KOH + 2H 2 O
• 2H 0 (Zn, HCl dil.) + EuCl 3 = 2EuCl 2 + 2HCl
• 2H0 (Al) + NaOH (conc.) + Ag2S = 2Ag ↓ + H2O + NaHS
• 2H0 (Zn, dil. H2SO4) + C2N2 = 2HCN

Compuși cu hidrogen

D 2 - diduteriu:

• Hidrogen greu.
• Un gaz incolor greu de lichefiat.
• Dideuteriul este conținut în hidrogen natural 0,012-0,016% (în greutate).
• Într-un amestec gazos de dideuteriu și protiu, schimbul de izotopi are loc la temperaturi ridicate.
• Puțin solubil în apă obișnuită și grea.
• Cu apa obișnuită, schimbul izotopic este neglijabil.
• Proprietățile chimice sunt similare cu hidrogenul ușor, dar dideuteriul este mai puțin reactiv.
• Greutate moleculară relativă = 4,028
• Densitatea relativă a dideuteriului lichid (t = -253 ° C) = 0,17
• punct de topire = -254,5 ° C
• punctul de fierbere = -249,49 ° C

T 2 - ditritiu:

• Hidrogen supergreu.
• Gaz radioactiv incolor.
• Timpul de înjumătățire este de 12,34 ani.
• În natură, ditrițiul se formează ca urmare a bombardării nucleelor ​​de 14 N cu radiații cosmice de către neutroni; urme de ditrițiu se găsesc în apele naturale.
• Primiți ditrițiu în reactor nuclear bombardarea litiului cu neutroni lenți.
• Greutate moleculară relativă = 6,032
• punct de topire = -252,52 ° C
• punctul de fierbere = -248,12 ° C

HD - deuteriu hidrogen:

• Gaz incolor.
• Nu se dizolvă în apă.
• Proprietățile chimice sunt similare cu H2.
• Greutate moleculară relativă = 3,022
• Densitatea relativă a deuteridei de hidrogen solid (t = -257 ° C) = 0,146
• Suprapresiune (n.o.) = 0,135 g/l
• punct de topire = -256,5 ° C
• punctul de fierbere = -251,02 ° C

Oxizi de hidrogen

H2O - apă:

• Lichid incolor.
• Conform compoziției izotopice a oxigenului, apa constă din H 2 16 O cu amestecuri de H 2 18 O și H 2 17 O
• Conform compoziției izotopice a hidrogenului, apa este formată din 1 H 2 O cu un amestec de HDO.
• Apa lichidă este supusă protolizei (H 3 O + și OH -):
  • H3O+ (cationul de oxoniu) este cel mai puternic acid în soluție apoasă;
  • OH - (ion hidroxid) este cea mai puternică bază în soluție apoasă;
  • Apa este cel mai slab protolit conjugat.
• Cu multe substanțe, apa formează hidrați cristalini.
• Apa este o substanță activă din punct de vedere chimic.
• Apa este un solvent lichid versatil pentru compușii anorganici.
• Greutatea moleculară relativă a apei = 18,02
• Densitatea relativă a apei solide (gheață) (t = 0 ° C) = 0,917
• Densitatea relativă a apei lichide:
  • (t = 0°C) = 0,999841
  • (t = 20 ° C) = 0,998203
  • (t = 25 ° C) = 0,997044
  • (t = 50 ° C) = 0,97180
  • (t = 100 ° C) = 0,95835
• densitate (n.o.) = 0,8652 g/l
• punct de topire = 0 ° C
• punct de fierbere = 100 ° C
• Produs ionic al apei (25°C) = 1,008 10 -14

1. Descompunerea termică a apei:
2H 2 O ↔ 2H 2 + O 2 (peste 1000 ° C)

D 2 O - oxid de deuteriu:

• Apa grea.
• Lichid higroscopic incolor.
• Vâscozitatea este mai mare decât cea a apei.
• Se amestecă cu apa obișnuită în cantități nelimitate.
• Apa semi-grea HDO se formează în timpul schimbului de izotopi.
• Puterea de dizolvare este mai mică decât cea a apei obișnuite.
• Proprietățile chimice ale oxidului de deuteriu sunt similare cu cele ale apei, dar toate reacțiile sunt mai lente.
• Apa grea este prezentă în apa naturală (raportul masei la apa obișnuită 1: 5500).
• Oxidul de deuteriu se obține prin electroliza repetată a apei naturale, în care apa grea se acumulează în restul electrolitului.
• Greutatea moleculară relativă a apei grele = 20,03
• Densitatea relativă a apei grele lichide (t = 11,6 ° C) = 1,1071
• Densitatea relativă a apei grele lichide (t = 25 ° C) = 1,1042
• punct de topire = 3,813 ° C
• punctul de fierbere = 101,43 ° C

T 2 O - oxid de tritiu:

• Apa super grea.
• Lichid incolor.
• Vâscozitatea este mai mare și puterea de dizolvare este mai mică decât cea a apei obișnuite și grele.
• Se amestecă cu apă obișnuită și grea în cantități nelimitate.
• Schimbul izotopic cu apa obișnuită și grea duce la formarea HTO, DTO.
• Proprietățile chimice ale apei supergrele sunt similare cu cele ale apei, dar toate reacțiile decurg chiar mai lent decât în ​​apa grea.
• Urme de oxid de tritiu se găsesc în apa naturală și în atmosferă.
• Apa supergrea se obține prin trecerea tritiului peste oxidul de cupru roșu CuO.
• Greutate moleculară relativă a apei supergrele = 22,03
• punct de topire = 4,5 ° C

Hidrogenul (H) este foarte ușor element chimic, cu un conținut de 0,9% în masă în scoarța terestră, și 11,19% în apă.

Caracterizarea hidrogenului

În ceea ce privește ușurința, este primul dintre gaze. În condiții normale, este insipid, incolor și absolut inodor. Când intră în termosferă, zboară în spațiu datorită greutății sale reduse.

În întregul univers, este cel mai numeros element chimic (75% din masa totală a substanțelor). Atât de mult încât multe stele în spațiul cosmic consta în întregime din ea. De exemplu, soarele. Componenta sa principală este hidrogenul. Iar căldura și lumina sunt rezultatul eliberării de energie atunci când nucleele materialului se îmbină. De asemenea, în spațiu există nori întregi ai moleculelor sale de diferite dimensiuni, densități și temperaturi.

Proprietăți fizice

Temperatura ridicată și presiunea îi schimbă semnificativ calitățile, dar în condiții normale:

Are o conductivitate termică ridicată în comparație cu alte gaze,

Netoxic și slab solubil în apă,

Cu o densitate de 0,0899 g / l la 0 ° C și 1 atm.,

Se transformă într-un lichid la o temperatură de -252,8 ° C

Devine tare la -259,1 ° C.,

Căldura specifică de ardere 120.9.106 J/kg.

Transformarea într-o stare lichidă sau solidă necesită presiune ridicată și temperaturi foarte scăzute. În stare lichefiată, este fluid și ușor.

Proprietăți chimice

Sub presiune și atunci când este răcit (-252,87 g. C), hidrogenul capătă o stare lichidă, care este mai ușoară ca greutate decât orice analog. Ocupă mai puțin spațiu în el decât în ​​formă gazoasă.

El este un non-metal tipic. În laboratoare, este produs prin reacția metalelor (cum ar fi zincul sau fierul) cu acizi diluați. În condiții normale, este inactiv și reacționează numai cu nemetale active. Hidrogenul poate separa oxigenul de oxizi și poate reduce metalele din compuși. El și amestecurile sale formează o legătură de hidrogen cu unele elemente.

Gazul este ușor solubil în etanol și în multe metale, în special paladiu. Argintul nu îl dizolvă. Hidrogenul poate fi oxidat în timpul arderii în oxigen sau în aer și prin interacțiunea cu halogenii.

Când este combinat cu oxigenul, se formează apă. Dacă temperatura este normală, atunci reacția este lentă, dacă este peste 550 ° C - cu o explozie (se transformă într-un gaz exploziv).

Găsirea hidrogenului în natură

Deși există mult hidrogen pe planeta noastră, nu este ușor să-l găsești în forma sa pură. Puține pot fi găsite în timpul erupțiilor vulcanice, în timpul producției de petrol și în locul de descompunere a materiei organice.

Mai mult de jumătate din cantitatea totală se află în compoziția cu apă. De asemenea, este inclus în structura uleiului, diverselor argile, gaze combustibile, animale și plante (prezența în fiecare celulă vie este de 50% din numărul de atomi).

Ciclul hidrogenului în natură

În fiecare an, o cantitate colosală (miliarde de tone) de reziduuri vegetale se descompune în corpurile de apă și sol, iar această descompunere stropește o masă uriașă de hidrogen în atmosferă. De asemenea, este eliberat în timpul oricărei fermentații cauzate de bacterii, ardere și, împreună cu oxigenul, participă la ciclul apei.

Aplicații ale hidrogenului

Elementul este utilizat în mod activ de către omenire în activitățile sale, așa că am învățat cum să-l obținem la scară industrială pentru:

Meteorologie, producție chimică;

producția de margarină;

Ca combustibil pentru rachete (hidrogen lichid);

Industria energiei electrice pentru racirea generatoarelor electrice;

Sudarea si taierea metalelor.

Masa de hidrogen este utilizată în producția de benzină sintetică (pentru a îmbunătăți calitatea combustibilului de calitate scăzută), amoniac, acid clorhidric, alcooli și alte materiale. Energia nucleară își folosește în mod activ izotopii.

Medicamentul „peroxid de hidrogen” este utilizat pe scară largă în metalurgie, industria electronică, industria celulozei și hârtiei, în albirea țesăturilor de in și bumbac, pentru fabricarea vopselelor de păr și a produselor cosmetice, a polimerilor și în medicina pentru tratarea rănilor.

Natura „explozivă” a acestui gaz poate fi o armă mortală - bombă cu hidrogen... Explozia sa este însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de substanțe radioactive și este distructivă pentru toate ființele vii.

Contactul dintre hidrogenul lichid și piele poate duce la degerături severe și dureroase.

Lichid

Hidrogen(lat. Hidrogeniu; notat cu simbolul H) - primul element al tabelului periodic al elementelor. Distribuit pe scară largă în natură. Cationul (și nucleul) celui mai abundent izotop de hidrogen, 1 H, este protonul. Proprietățile nucleului 1 H fac posibilă utilizarea pe scară largă a spectroscopiei RMN în analiza substanțelor organice.

Trei izotopi ai hidrogenului au propriile nume: 1 H - protiu (H), 2 H - deuteriu (D) și 3 H - tritiu (radioactiv) (T).

Substanță simplă hidrogen - H 2 - gaz ușor incolor. Este inflamabil și exploziv atunci când este amestecat cu aer sau oxigen. Non-toxic. Să ne dizolvăm în etanol și o serie de metale: fier, nichel, paladiu, platină.

Poveste

Eliberarea de gaz combustibil în timpul interacțiunii acizilor și metalelor a fost observată în secolele al XVI-lea și al XVII-lea, în zorii formării chimiei ca știință. Mihail Vasilyevich Lomonosov a subliniat, de asemenea, în mod direct separarea sa, dar și-a dat deja seama cu siguranță că nu era flogist. Fizicianul și chimistul englez Henry Cavendish a investigat acest gaz în 1766 și l-a numit „aer combustibil”. Când a fost ars, „aerul combustibil” producea apă, dar aderarea lui Cavendish la teoria flogistului l-a împiedicat să tragă concluziile corecte. Chimistul francez Antoine Lavoisier, împreună cu inginerul J. Meunier, folosind contoare speciale de gaz, în 1783 au sintetizat apa, apoi au analizat-o, descompunând vaporii de apă cu fier fierbinte. Astfel, el a stabilit că „aerul combustibil” face parte din apă și poate fi obținut din aceasta.

originea numelui

Lavoisier a dat hidrogenului numele de hydrogène - „născând apă”. Denumirea rusă „hidrogen” a fost propusă de chimistul M.F.

Prevalența

Hidrogenul este cel mai abundent element din univers. Reprezintă aproximativ 92% din toți atomii (8% sunt atomi de heliu, ponderea tuturor celorlalte elemente luate împreună este mai mică de 0,1%). Astfel, hidrogenul este principalul constituent al stelelor și al gazului interstelar. În condițiile temperaturilor stelare (de exemplu, temperatura suprafeței Soarelui este de ~ 6000 ° C), hidrogenul există sub formă de plasmă; în spațiul interstelar, acest element există sub formă de molecule, atomi și ioni individuali și se poate forma. nori moleculari care diferă semnificativ ca mărime, densitate și temperatură.

Scoarța terestră și organismele vii

Fracția de masă a hidrogenului din scoarța terestră este de 1% - acesta este al zecelea element cel mai abundent. Cu toate acestea, rolul său în natură este determinat nu de masă, ci de numărul de atomi, a căror proporție între alte elemente este de 17% (locul al doilea după oxigen, a căror proporție de atomi este de ~ 52%). Prin urmare, importanța hidrogenului în procesele chimice care au loc pe Pământ este aproape la fel de mare ca și oxigenul. Spre deosebire de oxigen, care există pe Pământ atât în ​​stare legată, cât și în stare liberă, practic tot hidrogenul de pe Pământ este sub formă de compuși; doar o cantitate foarte mică de hidrogen sub formă de substanță simplă este conținută în atmosferă (0,00005% în volum).

Hidrogenul face parte din aproape toate substanțele organice și este prezent în toate celulele vii. În celulele vii, hidrogenul reprezintă aproape 50% din numărul de atomi.

Primirea

Metodele industriale de obținere a substanțelor simple depind de forma în care se găsește elementul corespunzător în natură, adică care pot fi materiile prime pentru producerea acestuia. Deci, oxigenul, care este disponibil în stare liberă, este obținut printr-o metodă fizică - prin separare de aerul lichid. Aproape tot hidrogenul este sub formă de compuși, prin urmare, pentru obținerea acestuia se folosesc metode chimice. În special, pot fi utilizate reacții de descompunere. Una dintre metodele de producere a hidrogenului este reacția de descompunere a apei prin curent electric.

Principala metodă industrială de producere a hidrogenului este reacția metanului cu apa, care face parte din gazul natural. Se efectuează la o temperatură ridicată (este ușor să vă asigurați că nu are loc nicio reacție atunci când metanul este trecut chiar și prin apă clocotită):

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2-165 kJ

În laborator, pentru a obține substanțe simple, nu folosesc neapărat materii prime naturale, ci selectează acele materii prime din care este mai ușor să izolați substanța necesară. De exemplu, într-un laborator, oxigenul nu se obține din aer. Același lucru este valabil și pentru producția de hidrogen. Una dintre metodele de laborator pentru producerea hidrogenului, care este uneori folosită în industrie, este descompunerea apei cu un curent electric.

De obicei, în laborator, hidrogenul este produs prin interacțiunea zincului cu acidul clorhidric.

În industrie

1.Electroliza soluțiilor apoase de săruri:

2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + CI2

2. Trecerea vaporilor de apă peste cocs încins la o temperatură de aproximativ 1000 ° C:

H2O + C? H2 + CO

3.Din gaze naturale.

Conversie la abur:

CH4 + H20? CO + 3H 2 (1000 ° C)

Oxidarea catalitică cu oxigen:

2CH4 + O2? 2CO + 4H 2

4. Cracarea și reformarea hidrocarburilor în procesul de rafinare a petrolului.

In laborator

1.Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor. Pentru a efectua o astfel de reacție, zincul și acidul clorhidric diluat sunt cel mai adesea utilizate:

Zn + 2HCI → ZnCl2 + H2

2.Interacțiunea calciului cu apa:

Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2

3.Hidroliza hidrurilor:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.Acțiunea alcalinelor asupra zincului sau aluminiului:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.Prin electroliză.În timpul electrolizei soluțiilor apoase de alcalii sau acizi, hidrogenul este dezvoltat la catod, de exemplu:

2H3O + + 2e - → H2 + 2H2O

Proprietăți fizice

Hidrogenul poate exista sub două forme (modificări) - sub formă de orto- și para-hidrogen. Moleculă de ortohidrogen o-H 2 (p.t. -259,10 ° C, bp. -252,56 ° C) spinurile nucleare sunt direcționate în același mod (paralel), p-H2 (p.t. -259,32 °C, bp. -252,89 °C) - opus unul altuia (antiparalel). Amestecul de echilibru o-H2 şi p-H 2 la o temperatură dată se numește hidrogen de echilibru e-H2.

Modificările de hidrogen pot fi separate prin adsorbție pe cărbune activ la temperatura azotului lichid. La temperaturi foarte scăzute, echilibrul dintre ortohidrogen și parahidrogen este aproape în întregime mutat către acesta din urmă. La 80 K, raportul formelor este de aproximativ 1: 1. Parahidrogenul desorbit la încălzire este transformat în ortohidrogen până când se formează un echilibru de amestec la temperatura camerei (orto-pereche: 75:25). Fără catalizator, transformarea are loc lent (în condițiile mediului interstelar - cu timpi caracteristici până la cosmologic), ceea ce face posibilă studierea proprietăților modificărilor individuale.

Hidrogenul este cel mai ușor gaz; este de 14,5 ori mai ușor decât aerul. Evident, cu cât masa moleculelor este mai mică, cu atât viteza lor este mai mare la aceeași temperatură. Fiind cele mai ușoare, moleculele de hidrogen se mișcă mai repede decât moleculele oricărui alt gaz și, astfel, pot transfera căldura mai repede de la un corp la altul. Rezultă că hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică dintre substanțele gazoase. Conductivitatea sa termică este de aproximativ șapte ori mai mare decât conductibilitatea termică a aerului.

Molecula de hidrogen este diatomică - Н 2. În condiții normale, este un gaz incolor, inodor și fără gust. Densitate 0,08987 g / l (n.u.), punct de fierbere -252,76 ° C, căldură specifică de ardere 120,9 × 10 6 J / kg, ușor solubil în apă - 18,8 ml / l. Hidrogenul este ușor solubil în multe metale (Ni, Pt, Pd etc.), în special în paladiu (850 de volume per 1 volum de Pd). Solubilitatea hidrogenului în metale este asociată cu capacitatea sa de a difuza prin ele; difuzia printr-un aliaj carbonic (ex. otel) este uneori insotita de distrugerea aliajului datorita interactiunii hidrogenului cu carbonul (asa numita decarbonizare). Practic insolubil în argint.

Hidrogen lichid există într-un interval de temperatură foarte îngust de la -252,76 la -259,2 ° C. Este un lichid incolor, foarte ușor (densitate la -253 °C 0,0708 g/cm 3) și fluid (vâscozitate la -253 °C 13,8 cpoise). Parametrii critici ai hidrogenului sunt foarte scăzuti: temperatura este de -240,2 ° C și presiunea este de 12,8 atm. Aceasta explică dificultățile în lichefierea hidrogenului. În stare lichidă, hidrogenul de echilibru este format din 99,79% para-H2, 0,21% orto-H2.

Hidrogen solid, punct de topire -259,2 ° C, densitate 0,0807 g / cm 3 (la -262 ° C) - masă asemănătoare zăpezii, cristale din sistem hexagonal, grup spațial P6 / mmc, parametrii celulei A=3,75 c= 6,12. La presiune mare, hidrogenul se transformă într-o stare metalică.

Izotopi

Hidrogenul apare sub forma a trei izotopi, care au denumiri individuale: 1 H - protiu (H), 2 H - deuteriu (D), 3 H - tritiu (radioactiv) (T).

Protiul și deuteriul sunt izotopi stabili cu numere de masă 1 și 2. Conținutul lor în natură este, respectiv, 99,9885 ± 0,0070% și, respectiv, 0,0115 ± 0,0070%. Acest raport poate varia ușor în funcție de sursa și metoda de producere a hidrogenului.

Izotopul hidrogenului 3H (tritiu) este instabil. Timpul său de înjumătățire este de 12,32 ani. Tritiul se găsește în natură în cantități foarte mici.

Literatura conține, de asemenea, date despre izotopii de hidrogen cu numere de masă 4–7 și timpi de înjumătățire de 10–22–10–23 s.

Hidrogenul natural constă din molecule de H 2 și HD (deuterură de hidrogen) într-un raport de 3200: 1. Conținutul de hidrogen de deuteriu pur D 2 este și mai mic. Raportul dintre concentrațiile HD și D2 este de aproximativ 6400: 1.

Dintre toți izotopii elementelor chimice, proprietățile fizice și chimice ale izotopilor de hidrogen diferă cel mai mult unul de celălalt. Acest lucru se datorează celei mai mari modificări relative a maselor atomice.

	Temperatura topire, K	Temperatura fierbere, K	Triplu punct, K/kPa	Critic punct, K/kPa	Densitate lichid/gaz, kg/m³

Deuteriul și tritiul au, de asemenea, modificări orto și para: p-D 2, o-D 2, p-T 2, o-T 2. Hidrogenul heteroizotopic (HD, HT, DT) nu are modificări orto și para.

Proprietăți chimice

Fracțiunea moleculelor de hidrogen disociate

Moleculele de hidrogen H 2 sunt destul de puternice și trebuie cheltuită multă energie pentru ca hidrogenul să reacționeze:

H2 = 2H - 432 kJ

Prin urmare, la temperaturi obișnuite, hidrogenul reacționează numai cu metale foarte active, de exemplu cu calciul, formând hidrură de calciu:

Ca + H2 = CaH2

și cu singurul nemetal - fluor, formând fluorură de hidrogen:

Cu majoritatea metalelor și nemetalelor, hidrogenul reacționează la temperaturi ridicate sau sub alte influențe, de exemplu, la iluminare:

О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О

Poate „prelua” oxigen de la unii oxizi, de exemplu:

CuO + H2 = Cu + H2O

Ecuația scrisă reflectă proprietățile reducătoare ale hidrogenului.

N2 + 3H2 → 2NH3

Formează halogenuri de hidrogen cu halogeni:

F 2 + H 2 → 2HF, reacția are loc cu o explozie în întuneric și la orice temperatură,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reacția se desfășoară cu o explozie, numai în lumină.

Reacționează cu funingine la încălzire puternică:

C + 2H2 → CH4

Interacțiune cu metale alcaline și alcalino-pământoase

Când interacționează cu metalele active, hidrogenul formează hidruri:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H2 → CaH2

Mg + H2 → MgH2

Hidruri- substante sarate, solide, usor hidrolizabile:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH)2 + 2H2

Interacțiunea cu oxizii metalici (de obicei elemente d)

Oxizii se reduc la metale:

CuO + H2 → Cu + H2O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Hidrogenarea compușilor organici

Hidrogenul molecular este utilizat pe scară largă în sinteza organică pentru reducerea compușilor organici. Aceste procese sunt numite reactii de hidrogenare... Aceste reacții sunt efectuate în prezența unui catalizator la presiune și temperatură ridicate. Catalizatorul poate fi fie omogen (de exemplu, catalizatorul lui Wilkinson), fie heterogen (de exemplu, nichel Raney, paladiu-carbon).

Deci, în special, în timpul hidrogenării catalitice a compușilor nesaturați, cum ar fi alchenele și alchinele, se formează compuși saturați - alcani.

Geochimia hidrogenului

Hidrogenul liber H 2 este relativ rar în gazele terestre, dar sub formă de apă joacă un rol extrem de important în procesele geochimice.

Hidrogenul poate face parte din minerale sub formă de ion de amoniu, ion hidroxil și apă cristalină.

În atmosferă, hidrogenul este produs continuu prin descompunerea apei prin radiația solară. Având o masă mică, moleculele de hidrogen posedă viteza mare mișcarea de difuzie (este aproape de viteza a doua cosmică) și, căzând în straturile superioare ale atmosferei, poate zbura în spațiul cosmic.

Caracteristicile tratamentului

Când este amestecat cu aer, hidrogenul formează un amestec exploziv - așa-numitul gaz exploziv. Acest gaz este cel mai exploziv atunci când raportul volumetric dintre hidrogen și oxigen este de 2: 1, sau hidrogen și aer este de aproximativ 2: 5, deoarece aerul conține aproximativ 21% oxigen. De asemenea, hidrogenul este periculos de incendiu. Hidrogenul lichid poate provoca degerături severe dacă intră în contact cu pielea.

Concentrațiile explozive de hidrogen cu oxigen cresc de la 4% la 96% în volum. Când este amestecat cu aer de la 4% la 75 (74)% din volum.

Economie

Costul hidrogenului pentru livrările angro la scară largă fluctuează în intervalul de 2-5 USD pe kg.

Aplicație

Hidrogenul atomic este utilizat pentru sudarea cu hidrogen atomic.

Industria chimica

• În producția de amoniac, metanol, săpun și materiale plastice
• În producția de margarină din uleiuri vegetale lichide
• Înregistrat ca aditiv alimentar E949(gaz de ambalare)

Industria alimentară

Industria aviatica

Hidrogenul este foarte ușor și se ridică mereu în aer. Odată, dirijabilele și baloanele au fost umplute cu hidrogen. Dar în anii 30. secolul XX au avut loc mai multe dezastre, în timpul cărora dirijabilele au explodat și au ars. În zilele noastre, dirijabilele sunt pline cu heliu, în ciuda costului său semnificativ mai mare.

Combustibil

Hidrogenul este folosit ca propulsor.

Sunt în desfășurare cercetări privind utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru mașini și camioane. Motoarele cu hidrogen nu poluează mediu inconjuratorși emit doar vapori de apă.

Pilele de combustibil cu hidrogen-oxigen folosesc hidrogenul pentru a transforma direct energia dintr-o reacție chimică în energie electrică.

„Hidrogen lichid”("LH") este o stare agregată lichidă a hidrogenului, cu o greutate specifică scăzută de 0,07 g/cm³ și proprietăți criogenice cu un punct de îngheț de 14,01 K (−259,14 ° C) și un punct de fierbere de 20,28 K (−252,87 ° C). C). Este un lichid incolor, inodor, care, atunci când este amestecat cu aer, este clasificat ca exploziv cu un interval de inflamabilitate de 4-75%. Raportul de spin al izomerilor din hidrogenul lichid este: 99,79% - parahidrogen; 0,21% - ortohidrogen. Coeficientul de dilatare a hidrogenului la modificare stare agregată la gaz este 848: 1 la 20 ° C.

Ca și în cazul oricărui gaz, lichefierea hidrogenului duce la o scădere a volumului acestuia. După lichefiere, „LH” este depozitat sub presiune în recipiente izolate termic. Hidrogen lichid (rus. Hidrogen lichid, LH2, LH 2) este utilizat în mod activ în industrie, ca formă de stocare a gazelor, și în industria spațială, ca combustibil pentru rachete.

Poveste

Prima utilizare documentată a răcirii artificiale în 1756 a fost efectuată de omul de știință englez William Cullen, Gaspard Monge a fost primul care a obținut starea lichidă a oxidului de sulf în 1784, Michael Faraday a fost primul care a obținut amoniac lichefiat, inventatorul american Oliver Evans a fost primul care a dezvoltat un compresor de refrigerare în 1805, Jacob Perkins a fost primul care a brevetat o mașină de răcire în 1834, iar John Gorey a fost primul brevet american care a brevetat un aparat de aer condiționat în 1851. Werner Siemens a propus conceptul de răcire regenerativă în 1857, Karl Linde a patentat echipamente pentru producerea de aer lichid folosind efectul de expansiune în cascadă Joule-Thomson și răcirea regenerativă în 1876. În 1885, fizicianul și chimistul polonez Sigmund Wrobblewski a publicat o temperatură critică de 33 K pentru hidrogen și o presiune critică de 13,3 atm. și un punct de fierbere la 23 K. Hidrogenul a fost pentru prima dată lichefiat de James Dewar în 1898 folosind refrigerarea regenerativă și invenția sa, vasul Dewar. Prima sinteză a izomerului stabil al hidrogenului lichid - parahidrogenul - a fost realizată de Paul Hartek și Karl Bonhoeffer în 1929.

Izomerii de rotație ai hidrogenului

Hidrogenul la temperatura camerei este format în principal din izomerul de spin, ortohidrogen. După producere, hidrogenul lichid se află într-o stare metastabilă și trebuie transformat într-o formă parahidrogenă pentru a evita reacția exotermă explozivă care apare atunci când se modifică la temperaturi scăzute. Conversia în faza parahidrogenă se realizează de obicei folosind catalizatori precum oxidul de fier, oxidul de crom, cărbunele activat, azbestul acoperit cu platină, metalele pământurilor rare sau folosind aditivi de uraniu sau nichel.

Utilizare

Hidrogenul lichid poate fi folosit ca formă de stocare a combustibilului pentru motoarele cu ardere internă și celulele de combustibil. Diverse submarine (proiectele 212A și 214, Germania) și concepte de transport de hidrogen au fost create folosind această formă agregată de hidrogen (vezi de exemplu „DeepC” sau „BMW H2R”). Datorită apropierii structurilor, creatorii echipamentelor de pe „ZhV” pot folosi sau modifica doar sisteme care utilizează gaz natural lichefiat („GNL”). Cu toate acestea, datorită densității energetice în vrac mai scăzute, arderea necesită un volum mai mare de hidrogen decât gazul natural. Dacă se folosește hidrogen lichid în loc de „CNG” în motoarele cu piston, este de obicei necesar un sistem de combustibil mai greoi. Cu injecția directă, pierderile crescute de admisie reduc umplerea cilindrului.

Hidrogenul lichid este, de asemenea, folosit pentru a răci neutronii în experimentele de împrăștiere a neutronilor. Masele neutronului și ale nucleului de hidrogen sunt practic egale; prin urmare, schimbul de energie într-o coliziune elastică este cel mai eficient.

Avantaje

Avantajul utilizării hidrogenului este „emisia zero” a utilizării acestuia. Produsul interacțiunii sale cu aerul este apa.

Obstacole

Un litru de „ZhV” cântărește doar 0,07 kg. Adică, greutatea sa specifică este de 70,99 g/l la 20 K. Hidrogenul lichid necesită tehnologie de stocare criogenică, cum ar fi containere speciale izolate termic și necesită o manipulare specială, care este tipică pentru toate materialele criogenice. Este aproape în acest sens de oxigenul lichid, dar necesită mai multă precauție din cauza pericolului de incendiu. Chiar și în cazul recipientelor izolate termic, este dificil să-l păstrezi la temperatura scăzută necesară pentru a-l menține lichid (se evaporă de obicei cu o rată de 1% pe zi). Atunci când îl manipulați, trebuie să respectați și măsurile de siguranță obișnuite atunci când lucrați cu hidrogen - este suficient de rece pentru a lichefia aerul, care este exploziv.

Combustibil pentru racheta

Hidrogenul lichid este o componentă comună a combustibililor pentru rachete, care este utilizată pentru accelerarea jeturilor de vehicule de lansare și a navelor spațiale. În majoritatea motoarelor de rachetă cu combustibil lichid alimentat cu hidrogen, este folosit mai întâi pentru a răci regenerativ duza și alte părți ale motorului, înainte de a fi amestecat cu un oxidant și ars pentru a produce forță. Motoarele moderne H 2 / O 2 uzate consumă un amestec de combustibil re-îmbogățit, care are ca rezultat niște hidrogen nears în evacuare. Pe lângă creșterea impulsului specific al motorului prin reducerea greutății moleculare, reduce și mai mult eroziunea duzei și a camerei de ardere.

Astfel de obstacole în calea utilizării „LH” în alte domenii, cum ar fi natura criogenă și densitatea scăzută, sunt, de asemenea, un factor limitativ pentru utilizare în acest caz. Pentru 2009, există un singur vehicul de lansare (LV "Delta-4"), care este în întregime o rachetă cu hidrogen. Practic, „ZhV” este folosit fie pe treptele superioare ale rachetelor, fie pe blocuri, care efectuează o parte semnificativă a lucrării de punere în vid a sarcinii utile în spațiu. Ca una dintre măsurile de creștere a densității acestui tip de combustibil, există propuneri de utilizare a hidrogenului slushy, adică forma semi-înghețată de „ZhV”.

Hidrogenul este primul element din Tabelul Periodic al Elementelor Chimice, are un număr atomic de 1 și o masă atomică relativă de 1,0079. Care sunt proprietățile fizice ale hidrogenului?

Proprietățile fizice ale hidrogenului

Tradus din latină, hidrogen înseamnă „nașterea apei”. În 1766, omul de știință englez G. Cavendish a colectat „aerul combustibil” eliberat prin acțiunea acizilor asupra metalelor și a început să-i studieze proprietățile. În 1787 A. Lavoisier a definit acest „aer combustibil” ca un nou element chimic care face parte din apă.

Orez. 1. A. Lavoisier.

Hidrogenul are 2 izotopi stabili - protiu și deuteriu, precum și radioactiv - tritiu, a căror cantitate pe planeta noastră este foarte mică.

Hidrogenul este cel mai abundent element din spațiu. Soarele și majoritatea stelelor au hidrogenul ca element principal. De asemenea, acest gaz face parte din apă, petrol, gaze naturale. Conținutul total de hidrogen de pe Pământ este de 1%.

Orez. 2. Formula hidrogenului.

Atomul acestei substanțe include un nucleu și un electron. Când un electron este pierdut din hidrogen, formează un ion încărcat pozitiv, adică prezintă proprietăți metalice. Dar, de asemenea, un atom de hidrogen este capabil nu numai să piardă, ci și să atașeze un electron. În acest sens, este foarte asemănător cu halogenii. Prin urmare, hidrogenul din Tabelul Periodic aparține ambelor grupe I și VII. Proprietățile nemetalice ale hidrogenului sunt exprimate într-o măsură mai mare.

O moleculă de hidrogen este formată din doi atomi legați printr-o legătură covalentă

În condiții normale, hidrogenul este un element gazos incolor, inodor și fără gust. Este de 14 ori mai ușor decât aerul, iar punctul său de fierbere este de -252,8 grade Celsius.

Tabelul „Proprietățile fizice ale hidrogenului”

în afară de proprietăți fizice hidrogenul are, de asemenea, o serie de proprietăți chimice. Când este încălzit sau sub acțiunea catalizatorilor, hidrogenul reacționează cu metale și nemetale, sulf, seleniu, telur și poate reduce, de asemenea, oxizii multor metale.

Producția de hidrogen

Dintre metodele industriale de producere a hidrogenului (cu excepția electrolizei soluțiilor apoase de săruri), trebuie remarcate următoarele:

• trecerea vaporilor de apă prin cărbune fierbinte la o temperatură de 1000 de grade:

• conversia metanului cu vapori de apă la o temperatură de 900 de grade:

CH4 + 2H20 = CO2 + 4H2

Proprietățile chimice ale hidrogenului

În condiții normale, hidrogenul molecular este relativ puțin activ, combinându-se direct doar cu cele mai active nemetale (cu fluor, și la lumină și cu clor). Cu toate acestea, atunci când este încălzit, reacționează cu multe elemente.

Hidrogenul reacționează cu substanțe simple și complexe:

- Interacțiunea hidrogenului cu metalele conduce la formarea unor substanțe complexe - hidruri, în formulele chimice ale cărora atomul de metal este întotdeauna pe primul loc:

La temperaturi ridicate, hidrogenul reacționează direct cu unele metale(alcaline, alcalino-pământoase și altele), formând substanțe cristaline albe - hidruri metalice (Li H, Na H, KH, CaH 2 etc.):

H2 + 2Li = 2LiH

Hidrururile metalice sunt ușor descompuse de apă pentru a forma alcalii și hidrogenul corespunzător:

Ca H2 + 2H20 = Ca (OH)2 + 2H2

- Când hidrogenul interacționează cu nemetale se formează compuși volatili de hidrogen. V formula chimica un compus volatil de hidrogen, un atom de hidrogen poate sta atât pe primul, cât și pe al doilea, în funcție de locația sa în PSCE (vezi placa din diapozitiv):

1). Cu oxigen Hidrogenul formează apă:

Video „Arderea hidrogenului”

2H2 + O2 = 2H2O + Q

La temperaturi obișnuite, reacția decurge extrem de lent, peste 550 ° C - cu o explozie (un amestec de 2 volume de H 2 și 1 volum de O 2 se numește gaz oxigenat) .

Video „Explozie de gaz oxigenat”

Videoclip „Gătitul și explozia unui amestec exploziv”

2). Cu halogeni Hidrogenul formează halogenuri de hidrogen, de exemplu:

H2 + CI2 = 2HCI

În același timp, hidrogenul explodează cu fluor (chiar și în întuneric și la –252 ° C), reacționează cu clorul și bromul numai când este iluminat sau încălzit și cu iod numai când este încălzit.

3). Cu azot Hidrogenul interacționează cu formarea amoniacului:

ЗН 2 + N 2 = 2NН 3

numai pe catalizator și la temperaturi și presiuni ridicate.

4). Când este încălzit, hidrogenul reacționează energic cu gri:

H2 + S = H2S (hidrogen sulfurat),

este mult mai dificil cu seleniul și telurul.

5). Cu carbon pur Hidrogenul poate reacționa fără catalizator numai la temperaturi ridicate:

2H 2 + C (amorf) = CH 4 (metan)

- Hidrogenul intră într-o reacție de substituție cu oxizi metalici , în timp ce apă se formează în produse și metalul este redus. Hidrogen - prezintă proprietățile unui agent reducător:

Se folosește hidrogen pentru recuperarea multor metale, deoarece ia oxigen din oxizii lor:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O etc.

Aplicarea hidrogenului

Video „Aplicarea hidrogenului”

În prezent, hidrogenul este produs în cantități uriașe. O mare parte din acesta este folosită în sinteza amoniacului, hidrogenarea grăsimilor și în hidrogenarea cărbunelui, uleiurilor și hidrocarburilor. În plus, hidrogenul este utilizat pentru sinteză de acid clorhidric, alcool metilic, acid cianhidric, în sudarea și forjarea metalelor, precum și la fabricarea lămpilor cu incandescență și a pietrelor prețioase. Hidrogenul se comercializează în butelii sub o presiune de peste 150 atm. Sunt colorate în verde închis și au inscripția roșie „Hidrogen”.

Hidrogenul este folosit pentru a transforma grăsimile lichide în grăsimi solide (hidrogenare), producerea de combustibili lichizi prin hidrogenarea cărbunelui și păcurului. În metalurgie, hidrogenul este folosit ca reductor de oxizi sau cloruri pentru a obține metale și nemetale (germaniu, siliciu, galiu, zirconiu, hafniu, molibden, wolfram etc.).

Aplicarea practică a hidrogenului este diversă: de obicei este umplut cu baloane-sonde, în industria chimică servește ca materie primă pentru obținerea multor produse foarte importante (amoniac etc.), în alimentație - pentru producerea grăsimilor solide din uleiuri vegetale etc. Temperatura ridicată (până la 2600 ° C), rezultată din arderea hidrogenului în oxigen, este folosită pentru topirea metalelor refractare, cuarțului etc. Hidrogenul lichid este unul dintre cei mai eficienți carburanți. Consumul mondial anual de hidrogen depășește 1 milion de tone.

Formatori

# 2. Hidrogen

SARCINI PENTRU ANCORAREA

Sarcina numărul 1
Alcătuiți ecuațiile pentru reacțiile interacțiunii hidrogenului cu următoarele substanțe: F 2, Ca, Al 2 O 3, oxid de mercur (II), oxid de wolfram (VI). Numiți produșii de reacție, indicați tipurile de reacții.

Sarcina numărul 2
Efectuați transformările conform schemei:
H2O -> H2 -> H2S -> SO2

Sarcina numărul 3.
Calculați masa de apă care se poate obține prin arderea a 8 g de hidrogen?