L'hidrogen H és un element químic, un dels més comuns del nostre Univers. La massa d'hidrogen com a element en la composició de les substàncies és el 75% del contingut total d'àtoms d'un altre tipus. S'inclou a la connexió més important i vital del planeta: l'aigua. Una característica distintiva de l'hidrogen és també que és el primer element del sistema periòdic d'elements químics de D. I. Mendeleiev.
Descobriment i exploració
Les primeres referències a l'hidrogen en els escrits de Paracels es remunten al segle XVI. Però el seu aïllament de la barreja de gasos de l'aire i l'estudi de les propietats combustibles ja es van fer al segle XVII pel científic Lemery. L'hidrogen va ser estudiat a fons pel químic, físic i naturalista anglès Henry Cavendish, que va demostrar experimentalment que la massa d'hidrogen és la més petita en comparació amb altres gasos. En les etapes posteriors del desenvolupament de la ciència, molts científics van treballar amb ell, en particular Lavoisier, que l'anomenava "donant a llum aigua".
Característica segons la posició al PSHE
Element que s'obretaula periòdica de D. I. Mendeleiev, és hidrogen. Les propietats físiques i químiques de l'àtom mostren certa dualitat, ja que l'hidrogen s'assigna simultàniament al primer grup, el subgrup principal, si es comporta com un metall i cedeix un sol electró en el procés d'una reacció química, i al setè - en el cas d'ompliment complet de la closca de valència, és a dir, partícula negativa de recepció, que la caracteritza com a semblant als halògens.
Característiques de l'estructura electrònica de l'element
Les propietats de l'àtom d'hidrogen, les substàncies complexes de què forma part i la substància més simple H2 es determinen principalment per la configuració electrònica de l'hidrogen. La partícula té un electró amb Z=(-1), que gira en la seva òrbita al voltant del nucli, conté un protó amb unitat de massa i càrrega positiva (+1). La seva configuració electrònica s'escriu com a 1s1, el que significa la presència d'una partícula negativa al primer i únic orbital s de l'hidrogen.
Quan un electró es desprèn o es lliura, i un àtom d'aquest element té una propietat tal que es relaciona amb els metalls, s'obté un catió. De fet, l'ió hidrogen és una partícula elemental positiva. Per tant, un hidrogen sense electró s'anomena simplement protó.
Propietats físiques
Si descrivim breument les propietats físiques de l'hidrogen, aleshores és un gas incolor, lleugerament soluble, amb una massa atòmica relativa igual a 2, 14,5 vegades més lleugera que l'aire, amb una temperaturaliqüefacció de -252,8 graus centígrads.
Podeu veure fàcilment per experiència que H2 és el més fàcil. Per fer-ho, n'hi ha prou d'omplir tres boles amb diverses substàncies (hidrogen, diòxid de carboni, aire normal) i simultàniament alliberar-les de la mà. El que s'omple amb CO2 arribarà a terra més ràpid que ningú, després d'això la barreja d'aire inflat baixarà, i el que conté H2 s'elevarà fins al sostre.
La petita massa i mida de les partícules d'hidrogen justifiquen la seva capacitat de penetrar a través de diverses substàncies. En l'exemple de la mateixa bola, això és fàcil de comprovar, en un parell de dies es desinflarà, ja que el gas simplement passarà per la goma. A més, l'hidrogen es pot acumular a l'estructura d'alguns metalls (pal·ladi o platí) i evaporar-se'n quan la temperatura augmenta.
La propietat de baixa solubilitat de l'hidrogen s'utilitza a la pràctica de laboratori per al seu aïllament pel mètode de desplaçament d'aigua. Les propietats físiques de l'hidrogen (la taula següent conté els paràmetres principals) determinen l'abast de la seva aplicació i els mètodes de producció.
| Paràmetre d'un àtom o molècula d'una substància simple | Significat |
| Massa atòmica (massa molar) | 1,008 g/mol |
| Configuració electrònica | 1s1 |
| Enreixat de cristall | Hexagonal |
| Conductivitat tèrmica | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Densitat a n. y. | 0, 08987 g/l |
| Punt d'ebullició | -252, 76 °C |
| Valor calorífic específic | 120, 9 106 J/kg |
| Punt de fusió | -259, 2 °C |
| Solubilitat en aigua | 18, 8ml/L |
Composició isotòpica
Com molts altres representants del sistema periòdic d'elements químics, l'hidrogen té diversos isòtops naturals, és a dir, àtoms amb el mateix nombre de protons al nucli, però un nombre diferent de neutrons: partícules amb càrrega i unitat zero. massa. Exemples d'àtoms que tenen aquesta propietat són l'oxigen, el carboni, el clor, el brom i altres, inclosos els radioactius.
Les propietats físiques de l'hidrogen 1H, el més comú dels representants d'aquest grup, difereixen significativament de les mateixes característiques dels seus homòlegs. En particular, les característiques de les substàncies en què s'inclouen difereixen. Per tant, hi ha aigua ordinària i deuterada, que conté en la seva composició en lloc d'un àtom d'hidrogen amb un sol protó, deuteri 2H - el seu isòtop amb dues partícules elementals: positiva i sense càrrega. Aquest isòtop pesa el doble que l'hidrogen normal, la qual cosa explica la diferència fonamental en les propietats dels compostos que formen. A la natura, el deuteri és 3200 vegades més rar que l'hidrogen. El tercer representant és el triti 3Н, al nucli té dos neutrons i un protó.
Mètodes d'obtenció i selecció
Els mètodes de laboratori i industrials per produir hidrogen són molt diferents. Sí, en petites quantitatsEl gas es produeix principalment a través de reaccions que impliquen minerals, mentre que la producció a gran escala utilitza la síntesi orgànica en major mesura.
Les interaccions químiques següents s'utilitzen al laboratori:
- La reacció dels metalls alcalins i alcalinotèrres amb l'aigua per formar àlcali i el gas desitjat.
- Electròlisi d'una solució d'electròlit aquós, H2↑ s'allibera a l'ànode i s'allibera oxigen al càtode.
- Descomposició dels hidrurs de metalls alcalins amb aigua, els productes són alcalins i, en conseqüència, gas H2↑.
- Reacció d'àcids diluïts amb metalls per formar sals i H2↑.
- L'acció dels àlcalis sobre silici, alumini i zinc també afavoreix l'alliberament d'hidrogen paral·lelament a la formació de sals complexes.
En interès industrial, el gas s'obté mitjançant mètodes com ara:
- Descomposició tèrmica del metà en presència d'un catalitzador a les seves substàncies simples constituents (350 graus assoleix el valor d'un indicador com la temperatura) - hidrogen H2↑ i carboni C.
- Passar aigua vaporosa a través del coc a 1000 graus centígrads per formar diòxid de carboni CO2 i H2↑ (el mètode més comú).
- Conversió de metà gasós en un catalitzador de níquel a temperatures que arriben als 800 graus.
- L'hidrogen és un subproducte de l'electròlisi de solucions aquoses de clorurs de potassi o de sodi.
Químicainteraccions: generalitats
Les propietats físiques de l'hidrogen expliquen en gran mesura el seu comportament en processos de reacció amb un o un altre compost. La valència de l'hidrogen és 1, ja que es troba en el primer grup de la taula periòdica, i el grau d'oxidació en mostra un de diferent. En tots els compostos, excepte els hidrurs, l'hidrogen en s.o.=(1+), en molècules com ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Una molècula de gas d'hidrogen, formada creant un parell d'electrons generalitzat, consta de dos àtoms i és força estable energèticament, per això en condicions normals és una mica inert i entra en reaccions quan canvien les condicions normals. Segons el grau d'oxidació de l'hidrogen en la composició d' altres substàncies, pot actuar tant com a agent oxidant com com a agent reductor.
Substàncies amb les quals reacciona i forma hidrogen
Interaccions elementals per formar substàncies complexes (sovint a temperatures elevades):
- Metall alcalí i alcalinotèrreo + hidrogen=hidrur.
- Halogen + H2=halogenur d'hidrogen.
- Sofre + hidrogen=sulfur d'hidrogen.
- Oxigen + H2=aigua.
- Carboni + hidrogen=metà.
- Nitrogen + H2=amoníac.
Interacció amb substàncies complexes:
- Producció de gas de síntesi a partir de monòxid de carboni i hidrogen.
- Recuperació de metalls dels seus òxids mitjançant H2.
- Saturació d'hidrogen dels alifàtics insaturatshidrocarburs.
Enllaç d'hidrogen
Les propietats físiques de l'hidrogen són tals que li permeten, en combinació amb un element electronegatiu, formar un tipus especial d'enllaç amb el mateix àtom a partir de molècules veïnes que tenen parells d'electrons no compartits (per exemple, oxigen, nitrogen i fluor). L'exemple més clar en què és millor considerar aquest fenomen és l'aigua. Es pot dir que està cosit amb enllaços d'hidrogen, que són més febles que els covalents o iònics, però pel fet que n'hi ha molts, tenen un efecte important en les propietats de la substància. Essencialment, l'enllaç d'hidrogen és una interacció electrostàtica que uneix molècules d'aigua en dímers i polímers, donant lloc al seu punt d'ebullició elevat.
Hidrogen en compostos minerals
La composició de tots els àcids inorgànics inclou un protó, un catió d'un àtom com l'hidrogen. Una substància el residu àcid de la qual té un estat d'oxidació superior a (-1) s'anomena compost polibàsic. Conté diversos àtoms d'hidrogen, la qual cosa fa que la dissociació en solucions aquoses sigui multietapa. Cada protó posterior es separa de la resta de l'àcid cada cop més difícil. Pel contingut quantitatiu d'hidrogens del medi, es determina la seva acidesa.
L'hidrogen també conté grups hidroxil de bases. En ells, l'hidrogen està connectat a un àtom d'oxigen, com a resultat, l'estat d'oxidació d'aquest residu alcalí sempre és igual a (-1). El contingut d'hidroxils en el medi determina la seva basicitat.
Aplicació en activitats humanes
Les bombones amb una substància, així com els recipients amb altres gasos liquats, com l'oxigen, tenen un aspecte específic. Estan pintats de verd fosc amb una lletra vermella brillant "Hidrogen". El gas es bombeja a un cilindre a una pressió d'unes 150 atmosferes. Les propietats físiques de l'hidrogen, en particular la lleugeresa de l'estat d'agregació gasós, s'utilitzen per omplir-lo en una barreja amb globus d'heli, globus, etc.
L'hidrogen, les propietats físiques i químiques de les quals la gent va aprendre a utilitzar fa molts anys, s'utilitza actualment en moltes indústries. La major part es destina a la producció d'amoníac. L'hidrogen també participa en la producció de metalls (hafni, germani, gal·li, silici, molibdè, tungstè, zirconi i altres) a partir d'òxids, actuant en la reacció com a agent reductor, àcids cianhídric i clorhídric, alcohol metílic i líquid artificial. combustible. La indústria alimentària l'utilitza per convertir els olis vegetals en greixos sòlids.
S'han determinat les propietats químiques i l'ús de l'hidrogen en diversos processos d'hidrogenació i hidrogenació de greixos, carbons, hidrocarburs, olis i fuel-oil. Amb l'ajuda d'ella, es fabriquen pedres precioses, làmpades incandescents, es forgen i es solden productes metàl·lics sota la influència d'una flama d'oxigen-hidrogen.
