Normal koşullar altında hidrojen ile reaksiyona girer. Hidrojen: fiziksel ve kimyasal özellikler

Hidrojen basit bir H2 maddesidir (dihidrojen, diprotyum, hafif hidrojen).

Kısa bilgi hidrojen karakteristiği:

• Metal olmayan.
• Renksiz bir gazdır, sıvılaştırılması zordur.
• Suda zayıf çözünür.
• Organik çözücülerde daha iyi çözünür.
• Metallerle kimyasal emilim: demir, nikel, platin, paladyum.
• Güçlü indirgeyici ajan.
• Metal olmayanlar, metaller, metal oksitlerle (yüksek sıcaklıklarda) etkileşime girer.
• H2'nin termal ayrışmasından elde edilen atomik hidrojen H0, en büyük indirgeme yeteneğine sahiptir.
• Hidrojen izotopları:
  • 1H - protiyum
  • 2H - döteryum (D)
  • 3H - trityum (T)
• Bağıl molekül ağırlığı = 2,016
• Katı hidrojenin bağıl yoğunluğu (t=-260°C) = 0,08667
• Sıvı hidrojenin bağıl yoğunluğu (t=-253°C) = 0,07108
• Aşırı basınç (sayı) = 0,08988 g/l
• erime sıcaklığı = -259,19°C
• kaynama noktası = -252,87°C
• Hacimsel hidrojen çözünürlük katsayısı:
  • (t=0°C) = 2,15;
  • (t=20°C) = 1,82;
  • (t=60°C) = 1,60;

1. Termal ayrışma hidrojen(t=2000-3500°C):
H 2 ↔ 2H 0

2. Hidrojenin etkileşimi metal olmayanlar:

• H 2 +F 2 = 2HF (t=-250..+20°C)
• H 2 +Cl 2 = 2HCl (yandığında veya ışıkta oda sıcaklığı):
  • Cl 2 = 2Cl 0
  • Cl 0 +H 2 = HC1+H 0
  • H 0 +Cl 2 = HCl+Cl 0
• H 2 +Br 2 = 2HBr (t=350-500°C, platin katalizör)
• H 2 +I 2 = 2HI (t=350-500°C, platin katalizör)
• H2 +O2 = 2H20:
  • H2 + O2 = 2OH 0
  • OH 0 +H 2 = H 2 O+H 0
  • H 0 +O 2 = OH 0 +O 0
  • 0 0 +H 2 = OH 0 +H 0
• H 2 +S = H 2 S (t=150..200°C)
• 3H2 +N2 = 2NH3 (t=500°C, demir katalizörü)
• 2H2 +C(kok) = CH4 (t=600°C, platin katalizör)
• H 2 +2C(kok) = C 2 H 2 (t=1500..2000°C)
• H 2 +2C(kok)+N 2 = 2HCN (1800°C'den fazla)

3. Hidrojenin etkileşimi karmaşık maddeler:

• 4H 2 +(Fe II Fe 2 III)O 4 = 3Fe+4H 2 O (t 570°C'den fazla)
• H 2 +Ag 2 SO 4 = 2Ag+H 2 SO 4 (200°C'den fazla)
• 4H 2 +2Na 2 SO 4 = Na 2 S + 4H 2 O (t = 550-600°C, katalizör Fe 2 O 3)
• 3H 2 +2BCl 3 = 2B+6HCl (t = 800-1200°C)
• H 2 +2EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl (t = 270°C)
• 4H2 +CO2 = CH4 +2H2O (t = 200°C, CuO2 katalizörü)
• H 2 +CaC 2 = Ca+C 2 H 2 (2200°C'nin üzerinde t)
• H 2 +BaH 2 = Ba(H 2) 2 (t ila 0°C, çözelti)

4. Hidrojenin katılımı redoks reaksiyonları:

• 2H 0 (Zn, dil. HCl) + KNO 3 = KNO 2 + H 2 O
• 8H 0 (Al, konsantre KOH)+KNO3 = NH3 +KOH+2H2O
• 2H 0 (Zn, dil. HCl) + EuCl3 = 2EuCl2 + 2HCl
• 2H 0 (Al)+NaOH(kons.)+Ag 2 S = 2Ag↓+H 2 O+NaHS
• 2H 0 (Zn, dil. H2S04) + C2N2 = 2HCN

Hidrojen bileşikleri

D 2 - didöteryum:

• Ağır hidrojen.
• Renksiz bir gazdır, sıvılaştırılması zordur.
• Dideutherium doğal hidrojende %0,012-0,016 (ağırlıkça) oranında bulunur.
• Didöteryum ve protyumdan oluşan bir gaz karışımında, yüksek sıcaklıklarda izotop değişimi meydana gelir.
• Sıradan ve ağır suda az çözünür.
• Sıradan su ile izotop değişimi ihmal edilebilir düzeydedir.
• Kimyasal özellikleri hafif hidrojene benzer, ancak didöteryum daha az reaktiftir.
• Bağıl molekül ağırlığı = 4,028
• Sıvı didöteryumun bağıl yoğunluğu (t=-253°C) = 0,17
• erime sıcaklığı = -254,5°C
• kaynama noktası = -249,49°C

T 2 - ditrityum:

• Süper ağır hidrojen.
• Renksiz radyoaktif gaz.
• Yarı ömrü 12,34 yıl.
• Doğada ditrityum, kozmik radyasyondan gelen nötronlar tarafından 14 N çekirdeğin bombardımanı sonucu oluşur; doğal sularda ditrityum izleri bulunmuştur.
• Ditrityum elde edilir nükleer reaktör Lityumun yavaş nötronlarla bombardımanı.
• Bağıl molekül ağırlığı = 6,032
• erime sıcaklığı = -252,52°C
• kaynama noktası = -248,12°C

HD - döteryum hidrojen:

• Renksiz gaz.
• Suda çözünmez.
• Kimyasal özellikleri H2'ye benzer.
• Bağıl molekül ağırlığı = 3,022
• Katı döteryum hidrojenin bağıl yoğunluğu (t=-257°C) = 0,146
• Aşırı basınç (sayı) = 0,135 g/l
• erime sıcaklığı = -256,5°C
• kaynama noktası = -251,02°C

Hidrojen oksitler

H 2 O - su:

• Renksiz sıvı.
• Oksijen izotop bileşimine göre su, H2 18 O ve H 2 17 O safsızlıkları olan H 2 16 O'dan oluşur.
• Hidrojenin izotopik bileşimine göre su, HDO karışımı ile 1 H2O'dan oluşur.
• Sıvı su protolize uğrar (H3O + ve OH -):
  • H3O+ (oksonyum katyonu) en çok kuvvetli asit sulu çözeltide;
  • OH - (hidroksit iyonu) sulu çözeltideki en güçlü bazdır;
  • Su en zayıf konjuge protolittir.
• Su, birçok maddeyle kristal hidratlar oluşturur.
• Su kimyasal olarak aktif bir maddedir.
• Su evrensel bir sıvı çözücüdür organik bileşikler.
• Suyun bağıl moleküler ağırlığı = 18,02
• Katı suyun (buz) bağıl yoğunluğu (t=0°C) = 0,917
• Sıvı suyun bağıl yoğunluğu:
  • (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
• yoğunluk (n.s.) = 0,8652 g/l
• erime noktası = 0°C
• kaynama noktası = 100°C
• Suyun iyonik çarpımı (25°C) = 1,008·10 -14

1. Suyun termal ayrışması:
2H 2 O ↔ 2H 2 +O 2 (1000°C'nin üstünde)

D 2 O - döteryum oksit:

• Ağır su.
• Renksiz higroskopik sıvı.
• Viskozitesi suya göre daha yüksektir.
• Sıradan su ile sınırsız miktarda karışır.
• İzotopik değişim yarı ağır su HDO üretir.
• Çözücü gücü sıradan suya göre daha düşüktür.
• Döteryum oksidin kimyasal özellikleri suyun kimyasal özelliklerine benzer, ancak tüm reaksiyonlar daha yavaş ilerler.
• Doğal suda ağır su bulunur (normal suya kütle oranı 1:5500).
• Döteryum oksit, elektrolit kalıntısında ağır suyun biriktiği doğal suyun tekrarlanan elektrolizi ile elde edilir.
• Ağır suyun bağıl molekül ağırlığı = 20,03
• Sıvı ağır suyun bağıl yoğunluğu (t=11,6°C) = 1,1071
• Sıvı ağır suyun bağıl yoğunluğu (t=25°C) = 1,1042
• erime sıcaklığı = 3,813°C
• kaynama noktası = 101,43°C

T 2 O - trityum oksit:

• Süper ağır su.
• Renksiz sıvı.
• Viskozitesi daha yüksektir ve çözme gücü sıradan ve ağır suya göre daha düşüktür.
• Sıradan ve ağır sularla sınırsız miktarda karışır.
• Sıradan ve ağır su ile izotop değişimi HTO, DTO oluşumuna yol açar.
• Aşırı ağır suyun kimyasal özellikleri suyun kimyasal özelliklerine benzer, ancak tüm reaksiyonlar ağır suya göre çok daha yavaş ilerler.
• Trityum oksit izleri doğal sularda ve atmosferde bulunur.
• Süper ağır su, trityumun sıcak bakır oksit CuO üzerinden geçirilmesiyle elde edilir.
• Aşırı ağır suyun bağıl moleküler ağırlığı = 22,03
• erime noktası = 4,5°C

Hidrojen (H) çok hafiftir kimyasal element Ağırlıkça %0,9'u yer kabuğunda, %11,19'u su içeriğine sahiptir.

Hidrojenin özellikleri

Gazlar arasında hafiflik bakımından birincidir. Normal şartlarda tatsız, renksiz ve kesinlikle kokusuzdur. Termosfere girdiğinde düşük ağırlığı nedeniyle uzaya uçar.

Tüm evrende en çok sayıda kimyasal elementtir (toplam madde kütlesinin %75'i). O kadar çok yıldız var ki uzay tamamen ondan oluşuyor. Örneğin Güneş. Ana bileşeni hidrojendir. Isı ve ışık ise bir maddenin çekirdekleri birleştiğinde ortaya çıkan enerjinin sonucudur. Ayrıca uzayda çeşitli boyutlarda, yoğunluklarda ve sıcaklıklarda moleküllerinden oluşan bütün bulutlar vardır.

Fiziksel özellikler

Yüksek sıcaklık ve basınç, niteliklerini önemli ölçüde değiştirir, ancak normal koşullar altında:

Diğer gazlarla karşılaştırıldığında yüksek ısı iletkenliğine sahiptir,

Toksik değildir ve suda az çözünür,

0°C ve 1 atm'de 0,0899 g/l yoğunluğa sahip,

-252,8°C sıcaklıkta sıvıya dönüşür

-259,1°C'de sertleşir,

Özgül yanma ısısı 120.9.106 J/kg.

Sıvı veya katı hale dönüşmesi için yüksek basınç ve çok düşük sıcaklıklar gerekir. Sıvılaştırılmış halde akışkan ve hafiftir.

Kimyasal özellikler

Basınç altında ve soğutma (-252,87 derece C) üzerine hidrojen, ağırlığı herhangi bir analogdan daha hafif olan sıvı bir hal alır. İçinde işgal ediyor daha az alan gaz formundan daha fazladır.

Tipik bir metal olmayan maddedir. Laboratuvarlarda metallerin (çinko veya demir gibi) seyreltik asitlerle reaksiyona sokulmasıyla üretilir. Normal koşullar altında aktif değildir ve yalnızca aktif metal olmayan maddelerle reaksiyona girer. Hidrojen, oksijeni oksitlerden ayırabilir ve metalleri bileşiklerden indirgeyebilir. O ve karışımları belirli elementlerle hidrojen bağları oluşturur.

Gaz, etanolde ve birçok metalde, özellikle paladyumda oldukça çözünür. Gümüş onu eritmez. Hidrojen, oksijen veya havada yanma sırasında ve halojenlerle etkileşime girdiğinde oksitlenebilir.

Oksijenle birleşince su oluşur. Sıcaklık normalse reaksiyon yavaş ilerler, 550°C'nin üzerindeyse patlar (patlayıcı gaza dönüşür).

Doğada hidrojen bulmak

Gezegenimizde çok fazla hidrojen olmasına rağmen saf halini bulmak kolay değil. Volkanik patlamalar sırasında, petrol üretimi sırasında ve organik maddenin ayrıştığı yerlerde çok az miktarda bulunabilir.

Toplam miktarın yarısından fazlası su içeren bileşimdedir. Ayrıca yağın, çeşitli killerin, yanıcı gazların, hayvanların ve bitkilerin yapısında da bulunur (her canlı hücrede varlığı atom sayısına göre %50'dir).

Doğada hidrojen döngüsü

Her yıl su kütlelerinde ve toprakta muazzam miktarda (milyarlarca ton) bitki kalıntısı ayrışıyor ve bu ayrışma atmosfere büyük miktarda hidrojen salıyor. Ayrıca bakterilerin neden olduğu herhangi bir fermantasyon, yanma sırasında açığa çıkar ve oksijenle birlikte su döngüsüne katılır.

Hidrojen Uygulamaları

Element, insanlık tarafından faaliyetlerinde aktif olarak kullanılmaktadır, bu yüzden onu elde etmeyi öğrendik. endüstriyel ölçekİçin:

Meteoroloji, kimyasal üretim;

Margarin üretimi;

Roket yakıtı olarak (sıvı hidrojen);

Elektrik jeneratörlerini soğutmak için elektrik enerjisi endüstrisi;

Metallerin kaynaklanması ve kesilmesi.

Sentetik benzin (düşük kaliteli yakıtın kalitesini artırmak için), amonyak, hidrojen klorür, alkoller ve diğer malzemelerin üretiminde çok fazla hidrojen kullanılır. Nükleer enerji izotoplarını aktif olarak kullanır.

"Hidrojen peroksit" ilacı metalurjide yaygın olarak kullanılmaktadır. elektronik endüstrisi, kağıt hamuru ve kağıt üretiminde, keten ve pamuklu kumaşların ağartılmasında, saç boyaları ve kozmetik üretiminde, polimerlerde ve yaraların tedavisinde kullanılan tıpta kullanılır.

Bu gazın "patlayıcı" doğası ölümcül bir silaha dönüşebilir. hidrojen bombası. Patlamasına büyük miktarda radyoaktif maddenin salınması eşlik eder ve tüm canlılar için yıkıcıdır.

Sıvı hidrojenin ciltle teması şiddetli ve ağrılı donmalara neden olabilir.

Sıvı

Hidrojen(lat. Hidrojenyum; sembolüyle gösterilir H) periyodik element tablosunun ilk elementidir. Doğada yaygın olarak dağıtılır. Hidrojenin en yaygın izotopu olan 1H'nin katyonu (ve çekirdeği) protondur. 1H çekirdeğinin özellikleri, NMR spektroskopisinin organik maddelerin analizinde yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılar.

Hidrojenin üç izotopunun kendi isimleri vardır: 1H - protium (H), 2H - döteryum (D) ve 3H - trityum (radyoaktif) (T).

Basit madde hidrojen - H2 - açık renksiz bir gazdır. Hava veya oksijenle karıştığında yanıcı ve patlayıcıdır. Toksik değildir. Etanolde ve bir dizi metalde çözünür: demir, nikel, paladyum, platin.

Hikaye

Asitlerin ve metallerin etkileşimi sırasında yanıcı gaz salınımı 16. ve 16. yüzyılda gözlendi. XVII yüzyıllar kimyanın bir bilim olarak oluşumunun şafağında. Mikhail Vasilyevich Lomonosov da doğrudan izolasyonuna dikkat çekti, ancak bunun flojiston olmadığının kesinlikle farkındaydı. İngiliz fizikçi ve kimyager Henry Cavendish 1766 yılında bu gazı incelemiş ve ona “yanıcı hava” adını vermiştir. Yandığında "yanıcı hava" su üretiyordu, ancak Cavendish'in flojiston teorisine bağlılığı onun doğru sonuçlara varmasını engelledi. Fransız kimyager Antoine Lavoisier, mühendis J. Meunier ile birlikte 1783 yılında özel gazometreler kullanarak suyun sentezini ve ardından su buharını sıcak demirle ayrıştırarak analizini gerçekleştirdi. Böylece “yanıcı havanın” suyun bir parçası olduğunu ve ondan elde edilebileceğini tespit etti.

İsmin kökeni

Lavoisier hidrojene, "su doğuran" anlamındaki hidrojen adını verdi. Rusça "hidrojen" adı, 1824'te kimyager M. F. Solovyov tarafından Slomonosov'un "oksijenine" benzetilerek önerildi.

Yaygınlık

Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Tüm atomların yaklaşık %92'sini oluşturur (%8'i helyum atomudur, diğer tüm elementlerin toplam payı %0,1'den azdır). Bu nedenle hidrojen ana bileşen yıldızlar ve yıldızlararası gaz. Yıldız sıcaklıkları koşullarında (örneğin, Güneş'in yüzey sıcaklığı ~ 6000 °C'dir), yıldızlararası uzayda hidrojen plazma formunda bulunur; bu element bireysel moleküller, atomlar ve iyonlar formunda bulunur ve oluşabilir. Boyut, yoğunluk ve sıcaklık bakımından önemli ölçüde değişen moleküler bulutlar.

Yerkabuğu ve canlı organizmalar

Hidrojenin kütle oranı yer kabuğu%1'i oluşturur - en yaygın onuncu elementtir. Ancak doğadaki rolü kütleye göre değil, diğer elementler arasında payı% 17 olan atom sayısına göre belirlenir (atomların payı ~% 52 olan oksijenden sonra ikinci sırada). Bu nedenle Dünya'da meydana gelen kimyasal işlemlerde hidrojenin önemi neredeyse oksijen kadar büyüktür. Dünya üzerinde hem bağlı hem de serbest halde bulunan oksijenin aksine, Dünya üzerindeki hidrojenin hemen hemen tamamı bileşikler halindedir; Atmosferde yalnızca çok az miktarda basit madde formunda hidrojen bulunur (hacimce %0,00005).

Hidrojen hemen hemen tüm organik maddelerin bir parçasıdır ve tüm canlı hücrelerde bulunur. Canlı hücrelerde hidrojen, atom sayısının neredeyse %50'sini oluşturur.

Fiş

Basit maddelerin üretimine yönelik endüstriyel yöntemler, karşılık gelen elementin doğada bulunduğu forma, yani üretimi için hammaddenin ne olabileceğine bağlıdır. Böylece serbest halde bulunan oksijen, fiziksel olarak sıvı havadan ayrıştırılarak elde edilir. Hidrojenin neredeyse tamamı bileşik halinde olduğundan onu elde etmek için kullanırlar. kimyasal yöntemler. Özellikle ayrışma reaksiyonları kullanılabilir. Hidrojen üretmenin bir yolu, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Hidrojen üretiminin ana endüstriyel yöntemi, doğal gazın bir parçası olan metanın suyla reaksiyonudur. Yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir (metan kaynar sudan geçirildiğinde bile herhangi bir reaksiyonun oluşmadığını doğrulamak kolaydır):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Laboratuvarda basit maddeler elde etmek için mutlaka doğal hammaddeler kullanılmaz, ancak gerekli maddeyi izole etmenin daha kolay olduğu başlangıç ​​​​materyalleri seçilir. Örneğin laboratuvarda havadan oksijen elde edilmez. Aynı durum hidrojen üretimi için de geçerlidir. Bazen endüstride kullanılan hidrojen üretimine yönelik laboratuvar yöntemlerinden biri, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Tipik olarak hidrojen, çinkonun hidroklorik asitle reaksiyona sokulmasıyla laboratuvarda üretilir.

Endüstride

1.Elektroliz sulu çözeltiler tuzlar:

2NaCl + 2H20 → H2 + 2NaOH + Cl2

2. Yaklaşık 1000 °C sıcaklıktaki sıcak kok üzerinden su buharının geçirilmesi:

H2O+C? H2+CO

3. Doğalgazdan.

Buhar dönüşümü:

CH4 + H20 ? CO + 3H2 (1000 °C)

Oksijenle katalitik oksidasyon:

2CH4 + O2 ? 2CO + 4H2

4. Petrol rafinasyonu sırasında hidrokarbonların kırılması ve yeniden şekillendirilmesi.

Laboratuvarda

1.Seyreltik asitlerin metaller üzerindeki etkisi. Bu reaksiyonu gerçekleştirmek için çoğunlukla çinko ve seyreltik hidroklorik asit kullanılır:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Kalsiyumun su ile etkileşimi:

Ca + 2H20 → Ca(OH)2 + H2

3.Hidridlerin hidrolizi:

NaH + H20 → NaOH + H2

4.Alkalilerin çinko veya alüminyum üzerindeki etkisi:

2Al + 2NaOH + 6H20 → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H20 → K2 + H2

5.Elektroliz kullanma. Alkalilerin veya asitlerin sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında katotta hidrojen açığa çıkar, örneğin:

2H 3 Ö + + 2e − → H 2 + 2H 2 Ö

Fiziksel özellikler

Hidrojen iki formda (modifikasyonlar) mevcut olabilir - orto- ve para-hidrojen formunda. Bir ortohidrojen molekülünde O-H2 (en −259,10 °C, bp −252,56 °C) nükleer dönüşler aynı şekilde (paralel) yönlendirilir ve parahidrojen için P-H2 (erime noktası -259,32 °C, kaynama noktası -252,89 °C) - birbirine zıttır (antiparalel). Denge karışımı O-H2 ve P Belirli bir sıcaklıkta -H2 denir denge hidrojeni e-H2.

Hidrojen modifikasyonları, sıvı nitrojen sıcaklığında aktif karbon üzerinde adsorpsiyonla ayrılabilir. Çok düşük sıcaklıklarda ortohidrojen ve parahidrojen arasındaki denge neredeyse tamamen parahidrojene doğru kayar. 80 K'da formların oranı yaklaşık 1:1'dir. Isıtıldığında desorbe edilen parahidrojen, oda sıcaklığında dengede olan bir karışım oluşana kadar ortohidrojene dönüştürülür (orto-para: 75:25). Katalizör olmadan, dönüşüm yavaş yavaş gerçekleşir (yıldızlararası ortamın koşulları altında - karakteristik zamanlarla kozmolojik olanlara kadar), bu da bireysel modifikasyonların özelliklerini incelemeyi mümkün kılar.

Hidrojen en hafif gazdır, havadan 14,5 kat daha hafiftir. Açıkçası, moleküllerin kütlesi ne kadar küçük olursa, aynı sıcaklıkta hızları da o kadar yüksek olur. En hafif moleküller olan hidrojen molekülleri, diğer gazların moleküllerinden daha hızlı hareket eder ve böylece ısıyı bir cisimden diğerine daha hızlı aktarabilir. Buradan hidrojenin en yüksek termal iletkenliğe sahip olduğu sonucu çıkar. gaz halindeki maddeler. Isıl iletkenliği havanın ısıl iletkenliğinden yaklaşık yedi kat daha yüksektir.

Hidrojen molekülü diyatomiktir - H2. Normal şartlarda renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Yoğunluk 0,08987 g/l (no.), kaynama noktası -252,76 °C, özgül yanma ısısı 120,9×10 6 J/kg, suda az çözünür - 18,8 ml/l. Hidrojen birçok metalde (Ni, Pt, Pd, vb.), özellikle paladyumda (1 hacim Pd başına 850 hacim) oldukça çözünür. Hidrojenin metallerdeki çözünürlüğü metaller arasında yayılma yeteneği ile ilgilidir; Bir karbon alaşımından (örneğin çelik) difüzyona bazen hidrojenin karbonla etkileşimi nedeniyle (dekarbonizasyon olarak adlandırılan) alaşımın tahrip olması eşlik eder. Gümüşte pratik olarak çözünmez.

Sıvı hidrojen−252,76 ile −259,2 °C arasında çok dar bir sıcaklık aralığında bulunur. Renksiz, çok hafif (-253 °C'de yoğunluk 0,0708 g/cm3) ve akışkan (-253 °C'de viskozite 13,8 spuaz) bir sıvıdır. Hidrojenin kritik parametreleri çok düşüktür: sıcaklık -240,2 °C ve basınç 12,8 atm. Bu, hidrojenin sıvılaştırılmasındaki zorlukları açıklamaktadır. Sıvı halde denge hidrojeni %99,79 para-H2, %0,21 orto-H2'den oluşur.

Katı hidrojen, erime noktası -259,2 °C, yoğunluk 0,0807 g/cm3 (-262 °C'de) - kar benzeri kütle, altıgen kristaller, P6/mmc uzay grubu, hücre parametreleri A=3,75 C=6.12. Yüksek basınçta hidrojen metalik bir duruma dönüşür.

İzotoplar

Hidrojen oluşur üç şekli bireysel isimleri olan izotoplar: 1 H - protium (H), 2 H - döteryum (D), 3 H - trityum (radyoaktif) (T).

Protium ve döteryum, kütle numaraları 1 ve 2 olan kararlı izotoplardır. Doğadaki içerikleri sırasıyla 99,9885 ± %0,0070 ve 0,0115 ± %0,0070'tir. Bu oran hidrojenin kaynağına ve üretim yöntemine bağlı olarak biraz değişebilir.

Hidrojen izotopu 3H (trityum) kararsızdır. Yarı ömrü 12,32 yıldır. Trityum doğal olarak çok küçük miktarlarda oluşur.

Literatürde ayrıca kütle numaraları 4 - 7 ve yarı ömürleri 10 -22 - 10 -23 s olan hidrojen izotoplarına ilişkin veriler de sağlanmaktadır.

Doğal hidrojen 3200:1 oranında H2 ve HD (döteryum hidrojen) moleküllerinden oluşur. Saf döteryum hidrojen D2'nin içeriği daha da azdır. HD ve D2 konsantrasyonlarının oranı yaklaşık 6400:1'dir.

Kimyasal elementlerin tüm izotoplarından fiziksel ve kimyasal özellikler Hidrojen izotopları birbirinden en güçlü şekilde farklıdır. Bunun nedeni atom kütlelerindeki en büyük göreceli değişimdir.

	Sıcaklık erime, k	Sıcaklık kaynama, k	Üçlü nokta, K/kPa	Kritik nokta, K/kPa	Yoğunluk sıvı/gaz, kg/m³

Döteryum ve trityumun ayrıca orto ve para modifikasyonları da vardır: P-D2, O-D2, P-T2, O-T 2 . Heteroizotop hidrojenin (HD, HT, DT) orto ve para modifikasyonları yoktur.

Kimyasal özellikler

Ayrışmış hidrojen moleküllerinin fraksiyonu

Hidrojen molekülleri H2 oldukça güçlüdür ve hidrojenin reaksiyona girmesi için çok fazla enerji harcanması gerekir:

H 2 = 2H - 432 kJ

Bu nedenle normal sıcaklıklarda hidrojen yalnızca çok yüksek sıcaklıklarla reaksiyona girer. aktif metallerörneğin kalsiyum ile kalsiyum hidrit oluşturan:

Ca + H2 = CaH2

ve hidrojen florür oluşturan tek metal olmayan flor ile:

Hidrojen çoğu metal ve metal olmayan maddelerle yüksek sıcaklıklarda veya diğer etkiler altında, örneğin aydınlatma altında reaksiyona girer:

02 + 2H2 = 2H20

Bazı oksitlerden oksijeni “çıkarabilir”, örneğin:

CuO + H2 = Cu + H2O

Yazılı denklem şunları yansıtır: onarıcı özellikler hidrojen.

N2 + 3H2 → 2NH3

Halojenlerle hidrojen halojenürler oluşturur:

F 2 + H 2 → 2HF, reaksiyon karanlıkta ve herhangi bir sıcaklıkta patlayıcı bir şekilde meydana gelir,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reaksiyon yalnızca ışıkta patlayıcı bir şekilde ilerler.

Yüksek ısı altında kurumla etkileşime girer:

C + 2H 2 → CH 4

Alkali ve alkalin toprak metallerle etkileşim

Hidrojen, aktif metallerle etkileşime girdiğinde hidritler oluşturur:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hidritler- kolayca hidrolize edilen tuz benzeri katı maddeler:

CaH2 + 2H20 → Ca(OH)2 + 2H2

Metal oksitlerle etkileşim (genellikle d-elementler)

Oksitler metallere indirgenir:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 Ö 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 Ö

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Organik bileşiklerin hidrojenasyonu

Moleküler hidrojen, organik bileşiklerin indirgenmesi için organik sentezlerde yaygın olarak kullanılır. Bu süreçlere denir hidrojenasyon reaksiyonları. Bu reaksiyonlar bir katalizör varlığında gerçekleştirilir. yüksek tansiyon ve sıcaklık. Katalizör homojen (örn. Wilkinson Catalyst) veya heterojen (örn. Raney nikeli, karbon üzerinde paladyum) olabilir.

Böylece, özellikle alkenler ve alkinler gibi doymamış bileşiklerin katalitik hidrojenasyonu sırasında doymuş bileşikler - alkanlar oluşur.

Hidrojenin jeokimyası

Serbest hidrojen H2, karasal gazlarda nispeten nadir bulunur, ancak su formunda jeokimyasal süreçlerde son derece önemli bir rol alır.

Hidrojen minerallerde amonyum iyonu, hidroksil iyonu ve kristal su formunda bulunabilir.

Atmosferde suyun güneş ışınımıyla ayrışması sonucu sürekli olarak hidrojen üretilir. Sahip olmak düşük kütle, hidrojen molekülleri var yüksek hız difüzyon hareketi (ikinciye yakındır) kaçış hızı) ve atmosferin üst katmanlarına düşerek uzaya uçabilir.

Tedavinin özellikleri

Hidrojen, havayla karıştırıldığında patlayıcı bir karışım oluşturur; buna patlayıcı gaz denir. Bu gaz, hidrojen ve oksijenin hacim oranı 2:1 olduğunda veya hava yaklaşık %21 oksijen içerdiğinden hidrojen ve hava yaklaşık 2:5 olduğunda en patlayıcıdır. Hidrojen aynı zamanda bir yangın tehlikesidir. Sıvı hidrojen ciltle temas ederse ciddi donmalara neden olabilir.

Hidrojen ve oksijenin patlayıcı konsantrasyonları hacimce %4 ila %96 arasında meydana gelir. Hava ile karıştırıldığında hacimce %4'ten %75(74)'e kadar.

Ekonomi

Büyük toptan tedarikler için hidrojenin maliyeti kg başına 2-5 dolar arasında değişmektedir.

Başvuru

Atomik hidrojen, atomik hidrojen kaynağı için kullanılır.

Kimya endüstrisi

• Amonyak, metanol, sabun ve plastik üretiminde
• Sıvı bitkisel yağlardan margarin üretiminde
• Besin takviyesi olarak kayıtlı E949(paketleme gazı)

Gıda endüstrisi

Havacılık endüstrisi

Hidrojen çok hafiftir ve daima havada yükselir. Bir zamanlar hava gemileri ve balonlar hidrojenle doldurulmuştur. Ama 30'lu yıllarda. XX yüzyıl Zeplinlerin patladığı ve yandığı birçok felaket yaşandı. Günümüzde hava gemileri, maliyeti çok yüksek olmasına rağmen helyumla dolduruluyor.

Yakıt

Hidrojen roket yakıtı olarak kullanılıyor.

Hidrojenin otomobil ve kamyonlarda yakıt olarak kullanılmasına ilişkin araştırmalar sürüyor. Hidrojen motorları çevreyi kirletmiyor çevre ve yalnızca su buharını serbest bırakın.

Hidrojen-oksijen yakıt hücreleri, enerjiyi doğrudan dönüştürmek için hidrojeni kullanır kimyasal reaksiyon elektriğe.

"Sıvı Hidrojen"(“LH”), 0,07 g/cm³ düşük özgül yoğunluğa ve 14,01 K (-259,14 °C) donma noktasına ve 20,28 K (-252,87 °C) kaynama noktasına sahip kriyojenik özelliklere sahip hidrojenin sıvı halidir. ). Havayla karıştığında tutuşma katsayısı %4-75 aralığında patlayıcı madde olarak sınıflandırılan, renksiz, kokusuz bir sıvıdır. Sıvı hidrojendeki izomerlerin dönüş oranı: %99,79 - parahidrojen; %0,21 - ortohidrojen. Değişirken hidrojen genleşme katsayısı toplama durumu gaz halindeki oranı 20°C'de 848:1'dir.

Diğer gazlarda olduğu gibi hidrojenin sıvılaştırılması da hacminin azalmasına neden olur. Sıvılaştırmadan sonra sıvı sıvı, ısı yalıtımlı kaplarda basınç altında depolanır. Sıvı hidrojen Sıvı hidrojen, LH2, Sol 2) endüstride bir gaz depolama biçimi olarak ve uzay endüstrisinde roket yakıtı olarak aktif olarak kullanılmaktadır.

Hikaye

Yapay soğutmanın belgelenen ilk kullanımı 1756'da İngiliz bilim adamı William Cullen tarafından gerçekleştirildi; 1784'te kükürt oksidin sıvı halini elde eden ilk kişi Gaspard Monge oldu; sıvılaştırılmış amonyağı elde eden ilk kişi Michael Faraday oldu; Amerikalı mucit Oliver Evans 1805'te bir soğutma kompresörü geliştiren ilk kişi oldu, 1834'te soğutma makinesinin patentini alan ilk kişi Jacob Perkins oldu ve 1851'de Amerika Birleşik Devletleri'nde bir klimanın patentini alan ilk kişi John Gorey oldu. Werner Siemens, 1857'de rejeneratif soğutma konseptini önerdi; Karl Linde, 1876'da kademeli bir "Joule-Thomson genleşme etkisi" ve rejeneratif soğutma kullanarak sıvı hava üretmek için ekipmanın patentini aldı. 1885 yılında Polonyalı fizikçi ve kimyager Zygmunt Wroblewski hidrojenin kritik sıcaklığını 33 K, kritik basıncını ise 13,3 atm olarak yayınladı. ve kaynama noktası 23 K'dır. Hidrojen ilk kez 1898'de James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve onun icadı olan Dewar şişesi kullanılarak sıvılaştırıldı. Sıvı hidrojenin kararlı bir izomeri olan parahidrojenin ilk sentezi 1929'da Paul Harteck ve Carl Bonhoeffer tarafından gerçekleştirildi.

Hidrojenin spin izomerleri

Oda sıcaklığında hidrojen esas olarak bir spin izomeri olan ortohidrojenden oluşur. Üretimden sonra sıvı hidrojen yarı kararlı bir durumdadır ve düşük sıcaklıklarda değiştiğinde meydana gelen patlayıcı ekzotermik reaksiyonu önlemek için parahidrojen formuna dönüştürülmesi gerekir. Parahidrojen fazına dönüşüm genellikle demir oksit, krom oksit, aktif karbon, platin kaplı asbest, nadir toprak metalleri gibi katalizörler kullanılarak veya uranyum veya nikel katkı maddeleri kullanılarak gerçekleştirilir.

Kullanım

Sıvı hidrojen, içten yanmalı motorlar ve yakıt hücreleri için bir yakıt depolama biçimi olarak kullanılabilir. Hidrojenin bu toplam formu kullanılarak çeşitli denizaltılar ("212A" ve "214" projeleri, Almanya) ve hidrojen taşıma konseptleri oluşturulmuştur (örneğin "DeepC" veya "BMW H2R"ye bakınız). Tasarımların yakınlığı nedeniyle, LHV ekipmanının yaratıcıları sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) kullanan sistemleri kullanabilir veya yalnızca değiştirebilir. Ancak hacimsel enerji yoğunluğunun düşük olması nedeniyle yanma, doğal gaza göre daha büyük hacimde hidrojen gerektirir. Pistonlu motorlarda "CNG" yerine sıvı hidrojen kullanılıyorsa genellikle daha hacimli bir yakıt sistemine ihtiyaç duyulur. Direkt enjeksiyonda emme kanalındaki artan kayıplar silindir dolumunu azaltır.

Sıvı hidrojen ayrıca nötron saçılma deneylerinde nötronları soğutmak için de kullanılır. Nötron ve hidrojen çekirdeğinin kütleleri neredeyse eşittir, bu nedenle elastik çarpışma sırasında enerji alışverişi en etkili olanıdır.

Avantajları

Hidrojen kullanmanın avantajı, kullanımının “sıfır emisyon” olmasıdır. Hava ile etkileşiminin ürünü sudur.

Engeller

Bir litre “ZhV” yalnızca 0,07 kg ağırlığındadır. Yani özgül ağırlığı 20 K'de 70,99 g/l'dir. Sıvı hidrojen, özel ısı yalıtımlı kaplar gibi kriyojenik depolama teknolojisi gerektirir ve tüm kriyojenik malzemeler için tipik olan özel kullanım gerektirir. Bu açıdan sıvı oksijene yakındır ancak yangın tehlikesi nedeniyle daha fazla dikkat gerektirir. Yalıtılmış kaplarda bile onu sıvı halde tutmak için gereken düşük sıcaklıklarda tutmak zordur (tipik olarak günde %1 oranında buharlaşır). Hidrojenle çalışırken olağan güvenlik önlemlerini de uygulamanız gerekir; patlayıcı olan havayı sıvılaştıracak kadar soğuktur.

İtici gaz

Sıvı hidrojen, fırlatma araçlarını ve uzay araçlarını hareket ettirmek için kullanılan roket yakıtlarının yaygın bir bileşenidir. Sıvı hidrojen roket motorlarının çoğunda, bir oksitleyici ile karıştırılıp itme kuvveti üretmek üzere yakılmadan önce ilk olarak memeyi ve diğer motor parçalarını rejeneratif olarak soğutmak için kullanılır. H2/O2 bileşenlerini kullanan modern motorlar, hidrojen açısından aşırı zenginleştirilmiş bir yakıt karışımı tüketir ve bu da egzozda belirli miktarda yanmamış hidrojene yol açar. Molekül ağırlığını azaltarak motorun özgül itiş gücünü artırmanın yanı sıra, bu aynı zamanda meme ve yanma odasının aşınmasını da azaltır.

LH'nin diğer alanlarda kullanılmasının önündeki kriyojenik doğa ve düşük yoğunluk gibi engeller de bu durumda kullanımı sınırlayıcı bir faktördür. 2009 yılı itibariyle tamamı hidrojen roketinden oluşan tek bir fırlatma aracı (Delta-4 fırlatma aracı) bulunmaktadır. Temel olarak "ZhV", roketlerin üst aşamalarında veya yükün uzaya vakumla fırlatılması işinin önemli bir bölümünü gerçekleştiren bloklarda kullanılır. Bu tür yakıtın yoğunluğunu artırmaya yönelik önlemlerden biri olarak, çamur benzeri hidrojenin, yani yarı donmuş bir "sıvı hidrojen" formunun kullanılması önerileri vardır.

Hidrojen ilk elementtir Periyodik tablo kimyasal elementler, atom numarası 1 ve görecelidir atom kütlesi 1.0079. Hidrojenin fiziksel özellikleri nelerdir?

Hidrojenin fiziksel özellikleri

Latince'den tercüme edilen hidrojen, "suyu doğurmak" anlamına gelir. 1766 yılında İngiliz bilim adamı G. Cavendish, asitlerin metallere etki etmesiyle açığa çıkan "yanıcı havayı" topladı ve özelliklerini incelemeye başladı. 1787 yılında A. Lavoisier bu "yanıcı havayı" suyun bir parçası olan yeni bir kimyasal element olarak tanımladı.

Pirinç. 1. A. Lavoisier.

Hidrojenin 2 kararlı izotopu vardır - protium ve döteryumun yanı sıra radyoaktif bir - trityum, gezegenimizde miktarı çok azdır.

Hidrojen uzayda en çok bulunan elementtir. Güneş ve çoğu yıldızın ana elementi hidrojendir. Bu gaz aynı zamanda su, petrol ve doğal gazda da bulunur. Dünyadaki toplam hidrojen içeriği %1'dir.

Pirinç. 2. Hidrojenin formülü.

Bu maddenin bir atomu bir çekirdek ve bir elektron içerir. Hidrojen bir elektron kaybettiğinde pozitif yüklü bir iyon oluşturur, yani metalik özellikler sergiler. Ancak hidrojen atomu aynı zamanda sadece kaybetme değil, aynı zamanda bir elektron kazanma yeteneğine de sahiptir. Bu bakımdan halojenlere çok benzer. Bu nedenle Periyodik Tablodaki hidrojen hem I. hem de VII. gruba aittir. Hidrojenin metalik olmayan özellikleri daha belirgindir.

Bir hidrojen molekülü kovalent bağla birbirine bağlanan iki atomdan oluşur

Normal koşullar altında hidrojen, kokusuz ve tatsız, renksiz, gaz halinde bir elementtir. Havadan 14 kat daha hafiftir ve kaynama noktası -252,8 santigrat derecedir.

Tablo "Hidrojenin fiziksel özellikleri"

Hariç fiziksel özellikler Hidrojenin ayrıca bir takım kimyasal özellikleri vardır. Hidrojen, ısıtıldığında veya katalizörlerin etkisi altında metaller ve metal olmayanlar, kükürt, selenyum, tellür ile reaksiyona girer ve ayrıca birçok metalin oksitlerini de azaltabilir.

Hidrojen üretimi

Hidrojen üretimine yönelik endüstriyel yöntemlerden (sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi hariç) aşağıdakilere dikkat edilmelidir:

• 1000 derece sıcaklıktaki sıcak kömürden su buharının geçirilmesi:

• 900 derece sıcaklıkta su buharı ile metan dönüşümü:

CH4 +2H2O=C02 +4H2

Hidrojenin kimyasal özellikleri

Sıradan koşullar altında, moleküler Hidrojen nispeten az aktiftir ve yalnızca metal olmayanların en aktif olanlarıyla (flor ile ve ışıkta klor ile) doğrudan birleşir. Ancak ısıtıldığında birçok elementle reaksiyona girer.

Hidrojen basit ve karmaşık maddelerle reaksiyona girer:

- Hidrojenin metallerle etkileşimi metal atomunun her zaman önce geldiği kimyasal formüllerde karmaşık maddelerin - hidritlerin oluşumuna yol açar:

Yüksek sıcaklıkta Hidrojen doğrudan reaksiyona girer bazı metallerle(alkali, alkali toprak ve diğerleri), beyaz kristalli maddeler oluşturan - metal hidritler (Li H, Na H, KH, CaH2, vb.):

H2 + 2Li = 2LiH

Metal hidrürler, karşılık gelen alkali ve hidrojeni oluşturmak üzere su ile kolayca ayrıştırılır:

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

- Hidrojen metal olmayanlarla etkileşime girdiğinde uçucu hidrojen bileşikleri oluşur. İÇİNDE kimyasal formül uçucu hidrojen bileşiği, hidrojen atomu PSCE'deki konumuna bağlı olarak birinci veya ikinci sırada olabilir (slayttaki plakaya bakın):

1). Oksijen ile Hidrojen suyu oluşturur:

Video "Hidrojenin yanması"

2H2 + Ö2 = 2H2Ö + Q

Normal sıcaklıklarda reaksiyon son derece yavaş, 550°C'nin üzerinde, patlamayla ilerler. (2 hacim H2 ve 1 hacim O2 karışımına denir patlayıcı gaz) .

Video "Patlayıcı gazın patlaması"

Video "Patlayıcı bir karışımın hazırlanması ve patlaması"

2). Halojenli Hidrojen, hidrojen halojenürleri oluşturur, örneğin:

H2 + Cl2 = 2HCl

Aynı zamanda Hidrojen, flor ile patlar (karanlıkta ve -252°C'de bile), yalnızca aydınlatıldığında veya ısıtıldığında klor ve brom ile, yalnızca ısıtıldığında ise iyot ile reaksiyona girer.

3). Azotlu Hidrojen amonyak oluşturmak üzere reaksiyona girer:

ZN2 + N2 = 2NH3

yalnızca bir katalizör üzerinde ve yüksek sıcaklık ve basınçlarda.

4). Hidrojen ısıtıldığında güçlü bir şekilde reaksiyona girer kükürtlü:

H2 + S = H2S (hidrojen sülfür),

selenyum ve tellür ile çok daha zordur.

5). Saf karbonlu Hidrojen katalizör olmadan yalnızca yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girebilir:

2H2 + C (amorf) = CH4 (metan)

- Hidrojen metal oksitlerle yer değiştirme reaksiyonuna girer Bu durumda ürünlerde su oluşur ve metal azalır. Hidrojen - indirgeyici bir maddenin özelliklerini sergiler:

Hidrojen kullanılıyor birçok metalin geri kazanılması için, oksijeni oksitlerinden uzaklaştırdığı için:

Fe304 + 4H2 = 3Fe + 4H20, vb.

Hidrojenin uygulamaları

Video "Hidrojen Kullanımı"

Şu anda büyük miktarlarda hidrojen üretiliyor. Çok büyük bir kısmı amonyak sentezinde, yağların hidrojenlenmesinde, kömür, yağlar ve hidrokarbonların hidrojenlenmesinde kullanılır. Ayrıca sentez için hidrojen kullanılır. hidroklorik asit, metil alkol, hidrosiyanik asit, metallerin kaynaklanması ve dövülmesinin yanı sıra akkor lambaların ve değerli taşların imalatında. Hidrojen, 150 atm'nin üzerindeki basınç altında silindirlerde satılmaktadır. Koyu yeşil boyalıdırlar ve kırmızı bir "Hidrojen" yazısı vardır.

Hidrojen, sıvı yağları katı yağlara (hidrojenasyon) dönüştürmek, kömür ve akaryakıtın hidrojenlenmesiyle sıvı yakıt üretmek için kullanılır. Metalurjide hidrojen, metalleri ve metal olmayanları (germanyum, silikon, galyum, zirkonyum, hafniyum, molibden, tungsten vb.) üretmek için oksitler veya klorürler için indirgeyici bir madde olarak kullanılır.

Hidrojenin pratik kullanımları çeşitlidir: genellikle sonda balonlarını doldurmak için kullanılır, kimya endüstrisinde çok önemli birçok ürünün (amonyak vb.) üretimi için hammadde olarak hizmet eder, gıda endüstrisinde üretim için kullanılır. bitkisel yağlardan vb. katı yağların elde edilmesi. Hidrojenin oksijen içinde yakılmasıyla elde edilen yüksek sıcaklık (2600 °C'ye kadar), refrakter metallerin, kuvarsın vb. eritilmesinde kullanılır. Sıvı hidrojen, en verimli jet yakıtlarından biridir. Yıllık küresel hidrojen tüketimi 1 milyon tonu aşıyor.

SİMÜLATÖRLER

2 numara. Hidrojen

ATAMA GÖREVLERİ

Görev No.1
Hidrojenin aşağıdaki maddelerle etkileşimi için reaksiyon denklemlerini yazın: F2, Ca, Al203, cıva (II) oksit, tungsten (VI) oksit. Reaksiyon ürünlerini adlandırın, reaksiyon türlerini belirtin.

Görev No.2
Şemaya göre dönüşümleri gerçekleştirin:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Görev No.3.
8 g hidrojen yakılarak elde edilebilecek suyun kütlesini hesaplayın?