ما هي مادة الهيدروجين؟ الخصائص الفيزيائية للهيدروجين. خصائص وتطبيقات الهيدروجين

طرق الحصول الصناعية مواد بسيطةتعتمد على الشكل الذي يكون فيه العنصر المقابل في الطبيعة ، أي ما يمكن أن يكون المادة الخام لإنتاجه. لذلك ، يتم الحصول على الأكسجين المتاح في حالة حرة بطريقة مادية- خروج من الهواء السائل. من ناحية أخرى ، يكون الهيدروجين تقريبًا في شكل مركبات ، لذلك للحصول عليه ، الطرق الكيميائية. على وجه الخصوص ، يمكن استخدام تفاعلات التحلل. إحدى طرق إنتاج الهيدروجين هي تفاعل تحلل الماء بواسطة التيار الكهربائي.

أساسي الطريقة الصناعيةإنتاج الهيدروجين - التفاعل مع ماء الميثان ، وهو جزء من غاز طبيعي. يتم إجراؤه في درجة حرارة عالية (من السهل التحقق من أنه عند مرور الميثان حتى من خلال الماء المغلي ، لا يحدث أي تفاعل):

CH 4 + 2H 2 0 \ u003d CO 2 + 4H 2-165 كيلو جول

في المختبر ، للحصول على مواد بسيطة ، لا يتم استخدام المواد الخام الطبيعية بالضرورة ، ولكن يتم اختيار تلك المواد الأولية التي يسهل عزل المادة الضرورية منها. على سبيل المثال ، في المختبر ، لا يتم الحصول على الأكسجين من الهواء. الأمر نفسه ينطبق على إنتاج الهيدروجين. من الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين ، والتي تستخدم أحيانًا في الصناعة ، تحلل الماء بواسطة التيار الكهربائي.

ينتج الهيدروجين عادة في المختبر عن طريق تفاعل الزنك معه حامض الهيدروكلوريكأوتش.

في الصناعة

1.التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للأملاح:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.تمرير بخار الماء فوق الكوك الساخنعند حوالي 1000 درجة مئوية:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.من الغاز الطبيعي.

تحويل البخار: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 ° C) أكسدة تحفيزية للأكسجين: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. تكسير وإصلاح الهيدروكربونات في عملية تكرير النفط.

في المختبر

1.تأثير الأحماض المخففة على المعادن.لإجراء مثل هذا التفاعل ، غالبًا ما يستخدم الزنك وحمض الهيدروكلوريك:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.تفاعل الكالسيوم مع الماء:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.التحلل المائي للهيدرات:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.تأثير القلويات على الزنك أو الألومنيوم:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.بمساعدة التحليل الكهربائي.أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للقلويات أو الأحماض ، يتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود ، على سبيل المثال:

2H 3 O + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• مفاعل حيوي لإنتاج الهيدروجين

الخصائص الفيزيائية

يمكن أن يوجد الهيدروجين الغازي في شكلين (تعديلات) - في شكل أورثو - وشبه هيدروجين.

في جزيء orthohydrogen (mp 259.10 ° C ، bp 252.56 ° C) ، يتم توجيه الدورات النووية بنفس الطريقة (بالتوازي) ، بينما في باراهيدروجين (mp −259.32 ° C ، t bp −252.89 ° C) - عكس ذلك لبعضها البعض (ضد الموازية).

يمكن فصل الأشكال المتآصلة للهيدروجين عن طريق الامتزاز على الكربون النشط عند درجة حرارة النيتروجين السائل. في درجات حرارة منخفضة للغاية ، يتحول التوازن بين الهيدروجين التقويمي والباراهيدروجين بالكامل تقريبًا نحو الأخير. عند 80 ك ، تكون نسبة العرض إلى الارتفاع 1: 1 تقريبًا. يتحول الباراهيدروجين الماص إلى هيدروجين طبيعي عند التسخين إلى تكوين خليط توازن في درجة حرارة الغرفة (ortho-para: 75:25). بدون محفز ، يحدث التحول ببطء ، مما يجعل من الممكن دراسة خصائص الأشكال الفردية المتآصلة. جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - H₂. في الظروف الطبيعيةإنه غاز عديم اللون والرائحة والمذاق. الهيدروجين هو أخف الغازات ، كثافته عدة مرات كثافة أقلهواء. من الواضح أنه كلما كانت كتلة الجزيئات أصغر ، زادت سرعتها عند نفس درجة الحرارة. كأخف جزيئات الهيدروجين ، تتحرك أسرع من جزيئات أي غاز آخر ، وبالتالي يمكنها نقل الحرارة من جسم إلى آخر بشكل أسرع. ويترتب على ذلك أن الهيدروجين لديه أعلى موصلية حرارية بين المواد الغازية. الموصلية الحرارية لها حوالي سبع مرات أعلى من الهواء.

الخواص الكيميائية

جزيئات الهيدروجين H₂ قوية جدًا ، ولكي يتفاعل الهيدروجين ، يجب إنفاق الكثير من الطاقة: H 2 \ u003d 2H - 432 kJ. لذلك ، في درجات الحرارة العادية ، يتفاعل الهيدروجين فقط مع المعادن النشطة للغاية ، على سبيل المثال ، مع الكالسيوم ، تشكيل هيدريد الكالسيوم: Ca + H 2 \ u003d CaH 2 ومع الفلور الوحيد غير المعدني ، يشكل فلوريد الهيدروجين: F 2 + H 2 \ u003d 2HF مع معظم المعادن وغير المعدنية ، يتفاعل الهيدروجين عند حرارة عاليةأو تأثيرات أخرى ، مثل الإضاءة. يمكن أن "يزيل" الأكسجين من بعض الأكاسيد ، على سبيل المثال: CuO + H 2 \ u003d Cu + H 2 0 تعكس المعادلة المكتوبة تفاعل الاختزال. تسمى تفاعلات الاختزال عمليات ، ونتيجة لذلك يُسحب الأكسجين من المركب ؛ تسمى المواد التي تزيل الأكسجين بالعوامل المختزلة (تتأكسد هي نفسها). علاوة على ذلك ، سيتم إعطاء تعريف آخر لمفهومي "الأكسدة" و "الاختزال". أ هذا التعريف، تاريخيا الأول ، يحتفظ بأهميته في الوقت الحاضر ، وخاصة في الكيمياء العضوية. تفاعل الاختزال هو عكس تفاعل الأكسدة. يستمر كلا التفاعلين في نفس الوقت كعملية واحدة: عندما تتأكسد (تختزل) مادة ما ، تنخفض (تتأكسد) الأخرى بالضرورة في نفس الوقت.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

أشكال مع الهالوجينات هاليدات الهيدروجين:

F 2 + H 2 → 2 HF ، يستمر التفاعل بانفجار في الظلام وعند أي درجة حرارة ، Cl 2 + H 2 → 2 HCl ، يستمر التفاعل بانفجار ، فقط في الضوء.

يتفاعل مع السخام عند التسخين القوي:

C + 2H 2 → CH 4

التفاعل مع المعادن الأرضية القلوية والقلوية

يتكون الهيدروجين مع المعادن النشطة الهيدريدات:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

الهيدريدات- محلول ملحي ، المواد الصلبة، يتحلل بسهولة:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2

التفاعل مع أكاسيد المعادن (عادة عناصر د)

يتم تقليل الأكاسيد إلى معادن:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

هدرجة المركبات العضوية

يحدث التفاعل تحت تأثير الهيدروجين على الهيدروكربونات غير المشبعة في وجود محفز نيكل ودرجة حرارة مرتفعة الهدرجة:

CH 2 \ u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

يقلل الهيدروجين الألدهيدات إلى كحول:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

جيوكيمياء الهيدروجين

الهيدروجين - أساسي مواد البناءكون. هذا هو العنصر الأكثر شيوعًا ، وتتشكل منه جميع العناصر نتيجة التفاعلات النووية الحرارية والنووية.

يعتبر الهيدروجين الحر H 2 نادرًا نسبيًا في الغازات الأرضية ، ولكنه في شكل ماء يأخذ جزءًا مهمًا بشكل استثنائي في العمليات الجيوكيميائية.

يمكن أن يوجد الهيدروجين في المعادن في شكل أيون الأمونيوم ، وأيون الهيدروكسيل ، والمياه البلورية.

ينتج الهيدروجين باستمرار في الغلاف الجوي نتيجة تحلل الماء. اشعاع شمسي. يهاجر إلى الغلاف الجوي العلوي ويهرب إلى الفضاء.

طلب

• طاقة الهيدروجين

يستخدم الهيدروجين الذري في لحام الهيدروجين الذري.

في صناعة المواد الغذائية ، يتم تسجيل الهيدروجين كمادة مضافة للغذاء. E949كغاز للتعبئة.

ميزات الدورة الدموية

عندما يخلط الهيدروجين بالهواء ، فإنه يشكل خليطًا متفجرًا - ما يسمى بغاز التفجير. يكون هذا الغاز أكثر قابلية للانفجار عندما تكون نسبة حجم الهيدروجين والأكسجين 2: 1 ، أو الهيدروجين والهواء 2: 5 تقريبًا ، حيث يحتوي الهواء على حوالي 21٪ أكسجين. الهيدروجين قابل للاشتعال أيضا. يمكن أن يسبب الهيدروجين السائل قضمة صقيع شديدة إذا لامست الجلد.

تحدث التركيزات المتفجرة للهيدروجين مع الأكسجين من 4٪ إلى 96٪ من حيث الحجم. عند مزجه مع الهواء من 4٪ إلى 75 (74)٪ بالحجم.

استخدام الهيدروجين

في صناعة كيميائيةيستخدم الهيدروجين في إنتاج الأمونيا والصابون والبلاستيك. في صناعة المواد الغذائية ، باستخدام الهيدروجين من السائل الزيوت النباتيةصنع المارجرين. الهيدروجين خفيف جدا ويرتفع دائما في الهواء. ذات مرة ، كانت المناطيد والبالونات مملوءة بالهيدروجين. لكن في الثلاثينيات. القرن ال 20 كانت هناك عدة حوادث مروعة عندما انفجرت المناطيد واحترقت. في الوقت الحاضر ، تمتلئ المناطيد بغاز الهليوم. يستخدم الهيدروجين أيضًا كوقود للصواريخ. في يوم من الأيام ، يمكن استخدام الهيدروجين على نطاق واسع كوقود للسيارات والشاحنات. لا تلوث محركات الهيدروجين البيئة ولا ينبعث منها سوى بخار الماء (ومع ذلك ، فإن إنتاج الهيدروجين يؤدي إلى بعض التلوث البيئي). تتكون شمسنا في الغالب من الهيدروجين. الحرارة والضوء الشمسيان هما نتيجة إطلاق الطاقة النووية أثناء اندماج نوى الهيدروجين.

استخدام الهيدروجين كوقود (الكفاءة الاقتصادية)

إن أهم ما يميز المواد المستخدمة كوقود هو حرارة احتراقها. من الدورة كيمياء عامةمن المعروف أن تفاعل تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين يحدث مع إطلاق الحرارة. إذا أخذنا 1 مول H 2 (2 جم) و 0.5 مول O 2 (16 جم) في ظل الظروف القياسية وقمنا بإثارة التفاعل ، فوفقًا للمعادلة

H 2 + 0.5 O 2 \ u003d H 2 O

بعد اكتمال التفاعل ، يتم تكوين 1 جزيء جرامي من H 2 O (18 جم) مع إطلاق طاقة 285.8 كيلو جول / مول (للمقارنة: حرارة احتراق الأسيتيلين هي 1300 كيلو جول / مول ، البروبان - 2200 كيلو جول / مول) . 1 متر مكعب من الهيدروجين يزن 89.8 جرام (44.9 مول). لذلك ، للحصول على 1 متر مكعب من الهيدروجين ، سيتم إنفاق 12832.4 كيلو جول من الطاقة. مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن 1 كيلو واط ساعي = 3600 كيلوجول ، نحصل على 3.56 كيلو واط ساعة من الكهرباء. بمعرفة تعريفة 1 كيلو وات ساعة من الكهرباء وتكلفة 1 متر مكعب من الغاز ، يمكننا أن نستنتج أنه من المستحسن التحول إلى وقود الهيدروجين.

على سبيل المثال، نموذج تجريبيهوندا FCX الجيل الثالث بخزان هيدروجين سعة 156 لترًا (يحتوي على 3.12 كجم من الهيدروجين بضغط 25 ميجا باسكال) يسافر 355 كم. وفقًا لذلك ، يتم الحصول على 123.8 كيلووات ساعة من 3.12 كجم H2. عند 100 كم ، سيكون استهلاك الطاقة 36.97 كيلوواط ساعة. من السهل حساب التأثير الاقتصادي السلبي لتحويل السيارات إلى وقود الهيدروجين بمعرفة تكلفة الكهرباء وتكلفة البنزين أو البنزين واستهلاكهما للسيارة لكل 100 كيلومتر. لنفترض (روسيا 2008) أن 10 سنتات لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء تؤدي إلى حقيقة أن 1 متر مكعب من الهيدروجين يؤدي إلى سعر 35.6 سنتًا ، ومع الأخذ في الاعتبار كفاءة تحلل المياه من 40-45 سنتًا ، نفس المقدار من كيلووات ساعة من تكاليف حرق البنزين 12832.4 كيلوجول / 42000 كيلوجول / 0.7 كجم / لتر * 80 سنتًا / لتر = 34 سنتًا بأسعار التجزئة ، بينما بالنسبة للهيدروجين ، قمنا بحساب المتغير المثالي ، دون مراعاة النقل ، واستهلاك المعدات ، وما إلى ذلك بالنسبة للميثان مع تبلغ طاقة الاحتراق حوالي 39 ميجا جول لكل متر مكعب ، وستكون النتيجة أقل بمرتين إلى أربع مرات بسبب الاختلاف في السعر (1 متر مكعب لأوكرانيا يكلف 179 دولارًا ولأوروبا 350 دولارًا). أي أن الكمية المكافئة من الميثان ستكلف 10-20 سنتًا.

ومع ذلك ، يجب ألا ننسى أنه عندما نحرق الهيدروجين ، نحصل عليه ماء نظيفالذي تم استخراجه منه. هذا هو ، لدينا متجدد امين المخزنالطاقة دون الإضرار بالبيئة ، على عكس الغاز أو البنزين ، وهما من المصادر الأساسية للطاقة.

Php on line 377 تحذير: يتطلب (http: //www..php): فشل في فتح الدفق: لا يمكن العثور على غلاف مناسب في /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php على السطر 377 Fatal خطأ: يتطلب (): فشل الفتح المطلوب "http: //www..php" (include_path = ".. php على السطر 377

هيدروجين
ح (اللات. الهيدروجين),
أخف عنصر كيميائي غازي - عضو في المجموعة الفرعية IA النظام الدوريعناصر ، في بعض الأحيان يشار إلى المجموعة الفرعية VIIA. في الغلاف الجوي للأرض ، الهيدروجين في حالة غير منضمة موجود فقط لأجزاء من الدقيقة ، وكميته 1-2 جزء لكل 1500000 جزء من الهواء. عادة ما يتم إطلاقه مع الغازات الأخرى أثناء الانفجارات البركانية ، من آبار النفط ، وفي الأماكن التي تتحلل فيها كميات كبيرة من المواد العضوية. يتحد الهيدروجين مع الكربون و / أو الأكسجين ليشكلوا المواد العضويةأنواع الكربوهيدرات والكربوهيدرات والدهون والبروتينات الحيوانية. في الغلاف المائي ، يعتبر الهيدروجين جزءًا من الماء ، وهو المركب الأكثر شيوعًا على الأرض. في الصخور والتربة والتربة وأجزاء أخرى من قشرة الأرض ، يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء وأيون الهيدروكسيد OH-. يشكل الهيدروجين 16٪ من جميع الذرات الموجودة في قشرة الأرض ، ولكن حوالي 1٪ فقط من حيث الكتلة ، لأنه أخف 16 مرة من الأكسجين. كتلة الشمس والنجوم 70٪ من بلازما الهيدروجين: هذا هو العنصر الأكثر شيوعًا في الفضاء. يزداد تركيز الهيدروجين في الغلاف الجوي للأرض مع الارتفاع بسبب كثافته المنخفضة وقدرته على الارتفاع مرتفعات كبيرة. تحتوي النيازك الموجودة على سطح الأرض على 6-10 ذرات هيدروجين لكل 100 ذرة سيليكون.
مرجع تاريخي. طبيب وعالم طبيعي ألماني آخر باراسيلسوس في القرن السادس عشر. حددت قابلية احتراق الهيدروجين. في عام 1700 ، اكتشف إن. ليمري أن الغاز المنطلق بفعل حمض الكبريتيك على الحديد ينفجر في الهواء. تم تحديد الهيدروجين كعنصر بواسطة G. Cavendish في عام 1766 وأطلق عليه اسم "الهواء القابل للاحتراق" ، وفي عام 1781 أثبت أن الماء هو نتاج تفاعله مع الأكسجين. الهيدروجين اللاتيني ، المشتق من التركيبة اليونانية "ولادة الماء" ، تم تعيينه لهذا العنصر من قبل A.Lavoisier.
الخصائص العامة للهيدروجين.الهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري للعناصر. تتكون ذرته من بروتون وإلكترون واحد يدور حوله
(انظر أيضًا الجدول الدوري للعناصر).
تتميز واحدة من 5000 ذرة هيدروجين بوجود نيوترون واحد في النواة ، مما يزيد من كتلة النواة من 1 إلى 2. يسمى هذا النظير الديوتيريوم 21H أو 21D. يحتوي نظير الهيدروجين الآخر الأكثر ندرة على نيوترونين في النواة ويسمى التريتيوم 31H أو 31T. التريتيوم مشع ويتحلل مع إطلاق الهيليوم والإلكترونات. تختلف نوى نظائر الهيدروجين المختلفة في دوران البروتون. يمكن الحصول على الهيدروجين أ) بفعل معدن نشط على الماء ، ب) بفعل الأحماض على معادن معينة ، ج) بفعل القواعد الموجودة على السيليكون وبعض المعادن المتذبذبة ، د) بفعل البخار المحمص على الفحم والميثان ، وكذلك على الحديد ، هـ) عن طريق ماء التحلل الإلكتروليتي والتحلل الحراري للهيدروكربونات. يتم تحديد النشاط الكيميائي للهيدروجين من خلال قدرته على التبرع بإلكترون إلى ذرة أخرى أو مشاركته بشكل متساوٍ تقريبًا مع عناصر أخرى في تكوين رابطة كيميائية ، أو ربط إلكترون بعنصر آخر في مركب كيميائي يسمى الهيدريد. يستخدم الهيدروجين الذي تنتجه الصناعة بكميات كبيرة لتخليق الأمونيا وحمض النيتريك وهيدرات المعادن. الصناعات الغذائيةيستخدم الهيدروجين لتهدئة (هدرجة) الزيوت النباتية السائلة إلى دهون صلبة (مثل المارجرين). تقوم الهدرجة بتحويل الزيوت العضوية المشبعة التي تحتوي على روابط مزدوجة بين ذرات الكربون إلى زيوت مشبعة لها روابط كربون-كربون مفردة. يستخدم الهيدروجين السائل عالي النقاء (99.9998٪) في الصواريخ الفضائية كوقود عالي الكفاءة.
الخصائص الفيزيائية. يتطلب تسييل وتصلب الهيدروجين الكثير درجات الحرارة المنخفضةوالضغط العالي (انظر جدول الخصائص). في الظروف العادية ، الهيدروجين غاز عديم اللون ، عديم الرائحة والمذاق ، خفيف جدًا: 1 ​​لتر من الهيدروجين عند 0 درجة مئوية والضغط الجوي له كتلة 0.08987 جم (راجع كثافة الهواء والهيليوم هي 1.2929 و 0.1785 جم / لتر ، على التوالي ؛ لذلك ، يجب أن يكون للبالون المملوء بالهيليوم وله نفس قوة الرفع مثل بالون بهيدروجين حجم أكبر بنسبة 8٪). يوضح الجدول بعض الخصائص الفيزيائية والديناميكية الحرارية للهيدروجين. خصائص الهيدروجين العادي
(عند 273.16 كلفن أو 0 درجة مئوية)
العدد الذري 1 الكتلة الذرية 11H 1.00797 الكثافة ، جم / لتر

في ضغط عادي 0.08987 عند 2.5 * 10 5 ضغط جوي 0.66 عند 2.7 * 10 18 ضغط جوي 1.12 * 10 7

نصف القطر التساهمي ، 0.74 نقطة الانصهار ، ° С -259.14 نقطة الغليان ، ° C -252.5 درجة الحرارة الحرجة ، ° C -239.92 (33.24 K) الضغط الحرج ، atm 12.8 (12.80 K) السعة الحرارية ، J / (molChK) 28.8 (H2) الذوبان

في الماء ، المجلد / 100 حجم من H2O (في ظل الظروف القياسية) 2.148 في البنزين ، مل / جم (35.2 درجة مئوية ، 150.2 ضغط جوي) 11.77 في الأمونيا ، مل / جم (25 درجة مئوية) عند 50 ضغط جوي 4.47 عند 1000 ضغط جوي 79.25

حالات الأكسدة -1 ، +1
هيكل الذرة.تتكون ذرة الهيدروجين العادية (بروتيوم) من جسيمين أساسيين (بروتون وإلكترون) ولها كتلة ذرية 1. بسبب السرعة الهائلة للإلكترون (2.25 كم / ثانية أو 7 * 1015 لفة / ثانية) و طبيعة الموجة الجسدية المزدوجة ، من المستحيل تحديد إحداثيات (موضع) الإلكترون بدقة في أي منها هذه اللحظةالوقت ، ولكن هناك بعض المناطق ذات الاحتمالية العالية لإيجاد إلكترون ، وهي تحدد حجم الذرة. يتم توقع معظم الخصائص الكيميائية والفيزيائية للهيدروجين ، خاصة تلك المتعلقة بالإثارة (امتصاص الطاقة) ، رياضيًا بدقة (انظر الطيف الضوئي). يشبه الهيدروجين الفلزات القلوية في أن كل هذه العناصر قادرة على التبرع بإلكترون لذرة متقبل لتشكيل رابطة كيميائية يمكن أن تختلف من أيوني جزئيًا (نقل الإلكترون) إلى تساهمي (زوج إلكترون مشترك). مع متقبل الإلكترون القوي ، يشكل الهيدروجين أيون H + إيجابي ؛ بروتون. يمكن أن يكون هناك إلكترونان في مدار الإلكترون لذرة الهيدروجين ، وبالتالي فإن الهيدروجين قادر أيضًا على قبول إلكترون ، مكونًا أيون سالب H- ، أيون هيدريد ، وهذا يجعل الهيدروجين مرتبطًا بالهالوجينات ، والتي تتميز بقبولها إلكترون بتكوين أيون هاليد سالب من النوع Cl. تنعكس ازدواجية الهيدروجين في حقيقة أنه في الجدول الدوري للعناصر يتم وضعه في المجموعة الفرعية IA (الفلزات القلوية) ، وأحيانًا في المجموعة الفرعية VIIA (الهالوجينات) (انظر أيضًا الكيمياء).
الخواص الكيميائية.يتم تحديد الخصائص الكيميائية للهيدروجين بواسطة إلكترون واحد. كمية الطاقة المطلوبة لنزع هذا الإلكترون أكبر مما يمكن أن يوفره أي عامل مؤكسد كيميائي معروف. لهذا رابطة كيميائيةالهيدروجين مع ذرات أخرى أقرب إلى التساهمية منه إلى الأيوني. تحدث الرابطة التساهمية البحتة عندما يتكون جزيء الهيدروجين: H + H H2
يؤدي تكوين مول واحد (أي 2 جم) من H2 إلى إطلاق 434 كيلو جول. حتى عند 3000 كلفن ، تكون درجة تفكك الهيدروجين منخفضة جدًا وتساوي 9.03٪ ، وعند 5000 كلفن تصل إلى 94٪ ، وعند 10000 كلفن فقط يكتمل التفكك. عندما يتكون مولان (36 جم) من الماء من الهيدروجين الذري والأكسجين (4H + O2 -> 2H2O) ، يتم إطلاق أكثر من 1250 كيلو جول وتصل درجة الحرارة إلى 3000-4000 درجة مئوية ، بينما احتراق الهيدروجين الجزيئي (2H2 + O2 -> 2H2O) يطلق فقط 285.8 كيلوجول وتصل درجة حرارة اللهب فقط إلى 2500 درجة مئوية. عند درجة حرارة الغرفة ، يكون الهيدروجين أقل تفاعلًا. لبدء معظم التفاعلات ، من الضروري كسر أو إضعاف رابطة HH القوية ، مما يؤدي إلى إنفاق الكثير من الطاقة. يزداد معدل تفاعلات الهيدروجين مع استخدام محفز (معادن مجموعة البلاتين ، أكاسيد الانتقال أو المعادن الثقيلة) وطرق إثارة الجزيء (الضوء ، التفريغ الكهربائي ، القوس الكهربائي ، درجات الحرارة المرتفعة). في ظل هذه الظروف ، يتفاعل الهيدروجين مع أي عنصر تقريبًا باستثناء غازات نبيلة. تتفاعل العناصر الأرضية القلوية والقلوية النشطة (مثل الليثيوم والكالسيوم) مع الهيدروجين كمانحين للإلكترون وتشكل مركبات تسمى هيدرات الملح (2Li + H2 -> 2LiH ؛ Ca + H2 -> CaH2).
بشكل عام ، المركبات التي تحتوي على الهيدروجين تسمى الهيدريدات. يفسر التنوع الكبير لخصائص هذه المركبات (اعتمادًا على الذرة المرتبطة بالهيدروجين) بقدرة الهيدروجين على إظهار شحنة تتراوح من -1 إلى +1 تقريبًا. يتجلى هذا بوضوح في التشابه بين LiH و CaH2 والأملاح مثل NaCl و CaCl2. يُعتقد أن الهيدروجين في الهيدريدات مشحون سالبًا (H-) ؛ مثل هذا الأيون هو عامل مختزل في وسط مائي حمضي: 2H- H2 + 2e- + 2.25B. H- أيون قادر على تقليل بروتون الماء H + إلى غاز الهيدروجين: H- + H2O (r) H2 + OH-.
مركبات الهيدروجين مع البورون - بوروهيدريد (borohydrides) - تمثل فئة غير عادية من المواد تسمى البوران. أبسط ممثل لها هو BH3 ، والذي يوجد فقط في الشكل الثابت للديبوران B2H6. اتصالات مع كمية كبيرةالحصول على ذرات البورون طرق مختلفة. على سبيل المثال ، من المعروف tetraborane B4H10 و pentaborane B5H9 المستقر و pentaborane B5H11 و hexaborane B6H10 و decaborane B10H14. يمكن الحصول على Diborane من H2 و BCl3 عبر B2H5Cl الوسيط ، والذي لا يتناسب مع B2H6 عند 0 درجة مئوية ، وأيضًا عن طريق تفاعل LiH أو هيدريد الألومنيوم الليثيوم LiAlH4 مع BCl3. في هيدريد الألومنيوم الليثيوم (مركب معقد - هيدريد الملح) ، تشكل أربع ذرات هيدروجين روابط تساهمية مع Al ، ولكن هناك رابطة أيونية Li + مع [] -. مثال آخر على أيون يحتوي على الهيدروجين هو أيون بوروهيدريد BH4-. فيما يلي تصنيف تقريبي للهيدرات وفقًا لخصائصها وفقًا لموضع العناصر في الجدول الدوري للعناصر. تسمى هيدرات المعادن الانتقالية بالهيدريدات المعدنية أو الوسيطة وغالبًا لا تشكل مركبات متكافئة ، أي لا يتم التعبير عن نسبة ذرات الهيدروجين إلى المعدن في صورة عدد صحيح ، على سبيل المثال ، هيدريد الفاناديوم VH0.6 وهيدريد الثوريوم ThH3.1. تمتص معادن مجموعة البلاتين (Ru ، Rh ، Pd ، Os ، Ir و Pt) الهيدروجين بشكل فعال وتعمل كمحفزات فعالة لتفاعلات الهدرجة (على سبيل المثال ، هدرجة الزيوت السائلة لتكوين دهون ، وتحويل النيتروجين إلى أمونيا ، وتخليق الميثانول CH3OH من CO). هيدرات Be و Mg و Al والمجموعات الفرعية من Cu و Zn و Ga هي قطبية وغير مستقرة حرارياً.

تشكل اللافلزات هيدرات متطايرة الصيغة العامة MHx (x عدد صحيح) مع نقطة غليان منخفضة نسبيًا و ضغط مرتفعأبخرة. تختلف هذه الهيدريدات اختلافًا كبيرًا عن هيدرات الملح ، حيث يكون للهيدروجين شحنة سالبة أكثر. تهيمن على الهيدريدات المتطايرة (على سبيل المثال ، الهيدروكربونات) رابطة تساهمية بين اللافلزات والهيدروجين. مع زيادة الطابع غير المعدني ، تتشكل المركبات ذات الروابط الأيونية الجزئية ، على سبيل المثال H + Cl- ، (H2) 2 + O2- ، N3- (H3) 3 +. فيما يلي أمثلة منفصلة لتكوين الهيدريدات المختلفة (يشار إلى حرارة تكوين الهيدريد بين قوسين):

التماثل ونظائر الهيدروجين.ذرات نظائر الهيدروجين ليست متشابهة. الهيدروجين العادي ، البروتيوم ، هو دائمًا بروتون يدور حوله إلكترون واحد ، ويقع على مسافة كبيرة من البروتون (بالنسبة لحجم البروتون). كلا الجسيمين لهما دوران ، لذلك يمكن أن تختلف ذرات الهيدروجين إما في دوران الإلكترون ، أو في دوران البروتون ، أو كليهما. تسمى ذرات الهيدروجين التي تختلف في دوران البروتون أو الإلكترون أيزومرات. يؤدي الجمع بين ذرتين مع دوران متوازي إلى تكوين جزيء "هيدروجين orthohydrogen" ، مع دوران معاكس للبروتونات - إلى جزيء "باراهيدروجين". كيميائيًا ، كلا الجزيئين متطابقان. يحتوي Orthohydrogen على عزم مغناطيسي ضعيف للغاية. في درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة مرتفعة ، يكون كلا الايزومرين ، هيدروجين orthohydrogen والباراهيدروجين ، عادة في حالة توازن بنسبة 3: 1. عندما يتم تبريده إلى 20 كلفن (-253 درجة مئوية) ، يزداد محتوى الباراهيدروجين إلى 99٪ ، لأنه أكثر استقرارًا. عندما يتم تسييله بواسطة طرق التنقية الصناعية ، ينتقل شكل ortho إلى شكل بارا مع إطلاق الحرارة ، مما يؤدي إلى فقدان الهيدروجين من التبخر. معدل تحويل شكل ortho إلى شكل بارا يزيد في وجود محفز ، على سبيل المثال فحم، أكسيد النيكل ، أكسيد الكروم المترسب على الألومينا. البروتيوم عنصر غير معتاد لأنه لا يحتوي على نيوترونات في نواته. إذا ظهر نيوترون في النواة ، فإن هذا الهيدروجين يسمى ديوتيريوم 21 د. العناصر التي لها نفس عدد البروتونات والإلكترونات و كمية مختلفةتسمى النيوترونات بالنظائر. يحتوي الهيدروجين الطبيعي على نسبة صغيرة من HD و D2. وبالمثل ، تحتوي المياه الطبيعية على تركيزات منخفضة (أقل من 0.1٪) من DOH و D2O. الماء الثقيل D2O ، له كتلة أكبر من H2O ، يختلف في الخصائص الفيزيائية والكيميائية ، على سبيل المثال ، كثافة الماء العادي 0.9982 جم / مل (20 درجة مئوية) ، والثقيل - 1.105 جم / مل ، نقطة الانصهار من الماء العادي 0 ، 0 درجة مئوية ، وثقيل - 3.82 درجة مئوية ، ونقطة الغليان 100 درجة مئوية و 101.42 درجة مئوية ، على التوالي.تستمر التفاعلات التي تتضمن D2O بمعدل أقل (على سبيل المثال ، التحليل الكهربائي للماء الطبيعي الذي يحتوي على خليط D2O ، مع إضافة هيدروكسيد الصوديوم القلوي). معدل التحلل الإلكتروليتي لأكسيد البروتيوم H2O أعلى من D2O (مع الأخذ في الاعتبار الزيادة المستمرة في نسبة D2O المعرضة للتحليل الكهربائي). نظرًا لقرب خصائص البروتيوم والديوتيريوم ، من الممكن استبدال البروتيوم بالديوتيريوم. يشار إلى هذه التوصيلات على أنها تسميات. من خلال خلط مركبات الديوتيريوم مع مادة عادية تحتوي على الهيدروجين ، من الممكن دراسة طرق وطبيعة وآلية العديد من التفاعلات. تستخدم هذه الطريقة لدراسة التفاعلات البيولوجية والكيميائية الحيوية ، على سبيل المثال ، عمليات الهضم. النظير الثالث للهيدروجين ، التريتيوم (31T) ، موجود في الطبيعة بكميات ضئيلة. على عكس الديوتيريوم المستقر ، فإن التريتيوم مشع وله عمر نصف يبلغ 12.26 سنة. يتحلل التريتيوم إلى الهيليوم (32He) مع إطلاق جسيم ب (إلكترون). يستخدم التريتيوم وتريتيدات المعادن لإنتاج الطاقة النووية ؛ على سبيل المثال ، في قنبلة هيدروجينيةيحدث تفاعل الاندماج التالي: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17.6 MeV
الحصول على الهيدروجين.في كثير من الأحيان ، يتم تحديد الاستخدام الإضافي للهيدروجين من خلال طبيعة الإنتاج نفسه. في بعض الحالات ، على سبيل المثال ، في تخليق الأمونيا ، لا تعتبر الكميات الصغيرة من النيتروجين في الهيدروجين الأصلي ، بالطبع ، شوائب ضارة. كما أن خليط أول أكسيد الكربون (II) لن يتدخل إذا تم استخدام الهيدروجين كعامل اختزال. 1. يعتمد أكبر إنتاج للهيدروجين على التحويل الحفزي للهيدروكربونات بالبخار وفقًا للمخطط CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1) H2 و CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1) H2. تعتمد درجة حرارة العملية على تكوين المحفز. من المعروف أنه يمكن تقليل درجة حرارة التفاعل مع البروبان إلى 370 درجة مئوية باستخدام البوكسيت كمحفز. يتم استهلاك ما يصل إلى 95٪ من ثاني أكسيد الكربون الناتج في التفاعل الإضافي مع بخار الماء: H2O + CO -> CO2 + H2
2. توفر طريقة غاز الماء جزءًا كبيرًا من إجمالي إنتاج الهيدروجين. جوهر الطريقة هو تفاعل بخار الماء مع فحم الكوك لتكوين خليط من CO و H2. يكون التفاعل ماصًا للحرارة (DH ° = 121.8 kJ / mol) ويتم إجراؤه عند 1000 درجة مئوية ، ويتم معالجة الكوك المسخن بالبخار ؛ يحتوي خليط الغاز المنقى المنطلق على بعض الهيدروجين ونسبة كبيرة من ثاني أكسيد الكربون ومزيج صغير من ثاني أكسيد الكربون. لزيادة محصول H2 ، تتم إزالة أول أكسيد ثاني أكسيد الكربون بمعالجة بخارية إضافية عند 370 درجة مئوية ، مما ينتج عنه المزيد من ثاني أكسيد الكربون. من السهل جدًا إزالة ثاني أكسيد الكربون عن طريق تمرير خليط الغاز عبر جهاز تنقية يتم ريه بمياه التيار المعاكس. 3. التحليل الكهربائي. في عملية التحليل الكهربائي ، يعتبر الهيدروجين في الواقع منتجًا ثانويًا لإنتاج المنتجات الرئيسية ، الكلور والقلويات (هيدروكسيد الصوديوم). يتم إجراء التحليل الكهربائي في وسط مائي قلوي قليلاً عند 80 درجة مئوية وبجهد يبلغ حوالي 2 فولت ، باستخدام كاثود حديد وأنود نيكل:

4. طريقة الحديد والبخار ، والتي بموجبها يتم تمرير البخار عند 500-1000 درجة مئوية فوق الحديد: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160.67 كيلو جول. عادة ما يستخدم الهيدروجين المنتج بهذه الطريقة في هدرجة الدهون والزيوت. يعتمد تكوين أكسيد الحديد على درجة حرارة العملية ؛ لـ nC + (n + 1) H2
6. التالي من حيث الإنتاج هو طريقة بخار الميثانول: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. يكون التفاعل ماصًا للحرارة ويتم إجراؤه عند 260 درجة مئوية مع هيدروجين في مفاعلات فولاذية تقليدية عند ضغوط تصل إلى 20 ضغط جوي. 7. التحلل الحفزي للأمونيا: 2NH3 -> رد الفعل قابل للعكس.مع متطلبات الهيدروجين الصغيرة ، هذه العملية غير اقتصادية. هناك أيضًا مجموعة متنوعة من الطرق لإنتاج الهيدروجين ، والتي ، على الرغم من أنها ليست ذات أهمية صناعية كبيرة ، قد تكون في بعض الحالات الأكثر فائدة من الناحية الاقتصادية. يتم الحصول على الهيدروجين النقي جدًا عن طريق التحلل المائي للهيدرات المنقاة الفلزات القلوية؛ في هذه الحالة ، يتكون الكثير من الهيدروجين من كمية صغيرة من الهيدريد: LiH + H2O -> LiOH + H2
(هذه الطريقة مناسبة عند استخدام الهيدروجين الناتج مباشرة.) يتم إطلاق الهيدروجين أيضًا عندما تتفاعل الأحماض مع المعادن النشطة ، ولكنها عادة ما تكون ملوثة بالبخار الحمضي أو أي منتج غازي آخر ، مثل الفوسفين PH3 ، كبريتيد الهيدروجين H2S ، أرسين AsH3. معظم معادن نشطة، يتفاعل مع الماء ، ويحل محل الهيدروجين ويشكل محلول قلوي: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Common طريقة المختبرالحصول على H2 في جهاز Kipp عن طريق تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. تطلق هيدرات فلز الأرض القلوية (مثل CaH2) وهيدرات الملح المعقدة (مثل LiAlH4 أو NaBH4) وبعض البوروهيدريدات (مثل B2H6) الهيدروجين عند التفاعل مع الماء أو أثناء التفكك الحراري. يتفاعل الفحم البني والبخار عند درجة حرارة عالية أيضًا مع إطلاق الهيدروجين.
تنقية الهيدروجين.يتم تحديد درجة النقاء المطلوبة للهيدروجين من خلال نطاقه. تتم إزالة خليط ثاني أكسيد الكربون بالتجميد أو التسييل (على سبيل المثال ، عن طريق تمرير خليط غازي عبر النيتروجين السائل). يمكن إزالة الشوائب نفسها تمامًا عن طريق فقاعات الماء. يمكن إزالة ثاني أكسيد الكربون عن طريق التحويل الحفزي إلى ميثان أو ثاني أكسيد الكربون أو عن طريق التسييل أثناء المعالجة نيتروجين سائل. يتم إزالة شوائب الأكسجين المتكونة أثناء عملية التحليل الكهربائي على شكل ماء بعد تفريغ الشرارة.
استخدام الهيدروجين.يستخدم الهيدروجين بشكل رئيسي في الصناعة الكيميائية لإنتاج كلوريد الهيدروجين والأمونيا والميثانول وغيرها مركبات العضوية. يتم استخدامه في هدرجة الزيوت ، وكذلك الفحم والنفط (لتحويل أنواع الوقود منخفضة الجودة إلى أنواع عالية الجودة). في علم المعادن ، يستخدم الهيدروجين لتقليل بعض المعادن غير الحديدية من أكاسيدها. يستخدم الهيدروجين لتبريد المولدات الكهربائية القوية. تستخدم نظائر الهيدروجين في هندسة الطاقة النووية. يستخدم لهب الهيدروجين والأكسجين لقطع المعادن ولحامها.
الأدب
Nekrasov B.V. أساسيات الكيمياء العامة. ، 1973 هيدروجين سائل. M. ، 1980 الهيدروجين في المعادن. م ، 1981

موسوعة كولير. - مجتمع مفتوح. 2000 .

المرادفات:

شاهد ما هو "HYDROGEN" في القواميس الأخرى:

جدول النويدات معلومات عامةالاسم والرمز الهيدروجين 4 ، 4H النيوترونات 3 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 4.027810 (110) ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم ، الرمز الهيدروجين 5 ، 5H نيوترونات 4 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 5.035310 (110) ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم ، الرمز الهيدروجين 6 ، 6H النيوترونات 5 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 6.044940 (280) ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم ، الرمز الهيدروجين 7 ، 7H النيوترونات 6 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 7.052750 (1080) ... ويكيبيديا

عند البدء في النظر في الخصائص الكيميائية والفيزيائية للهيدروجين ، تجدر الإشارة إلى أنه في الحالة المعتادة ، يكون هذا العنصر الكيميائي في شكل غازي. غاز الهيدروجين عديم اللون عديم الرائحة والمذاق. لأول مرة ، سمي هذا العنصر الكيميائي بالهيدروجين بعد أن أجرى العالم A. Lavoisier تجارب على الماء ، وفقًا لنتائجها ، علم العالم أن الماء هو سائل متعدد المكونات ، بما في ذلك الهيدروجين. حدث هذا الحدث في عام 1787 ، ولكن قبل ذلك التاريخ بوقت طويل ، كان الهيدروجين معروفًا للعلماء تحت اسم "الغاز القابل للاحتراق".

الهيدروجين في الطبيعة

وفقًا للعلماء ، يوجد الهيدروجين في قشرة الأرضوفي الماء (حوالي 11.2٪ في الحجم الكليماء). هذا الغاز هو جزء من العديد من المعادن التي كانت البشرية تستخرجها من أحشاء الأرض لعدة قرون. في جزء منه ، خصائص الهيدروجين هي خصائص النفط والغازات الطبيعية والطين للكائنات الحية الحيوانية والنباتية. ولكن في شكل نقيهذا الغاز نادر للغاية في الطبيعة ، أي أنه لم يتم دمجه مع عناصر كيميائية أخرى في الجدول الدوري. يمكن لهذا الغاز الهروب إلى سطح الأرض أثناء الانفجارات البركانية. الهيدروجين الحر موجود بكميات ضئيلة في الغلاف الجوي.

الخصائص الكيميائية للهيدروجين

نظرًا لأن الخصائص الكيميائية للهيدروجين ليست موحدة ، فإن هذا العنصر الكيميائي ينتمي إلى كل من المجموعة الأولى من نظام منديليف والمجموعة السابعة من النظام. كونه ممثل المجموعة الأولى ، فإن الهيدروجين ، في الواقع ، معدن قلوي له حالة أكسدة +1 في معظم المركبات التي يحتوي عليها. نفس التكافؤ هو سمة من سمات الصوديوم والمعادن القلوية الأخرى. في ضوء هذه الخصائص الكيميائية ، يعتبر الهيدروجين عنصرًا مشابهًا لهذه المعادن.

إذا كنا نتحدث عن هيدرات المعادن ، فإن أيون الهيدروجين له تكافؤ سلبي - حالة الأكسدة الخاصة به هي -1. Na + H- مبني بنفس طريقة كلوريد Na + Cl. هذه الحقيقة هي سبب تخصيص الهيدروجين للمجموعة السابعة من نظام مندليف. الهيدروجين ، في حالة وجود جزيء ، بشرط أن يكون في بيئة عادية ، غير نشط ، ولا يمكن أن يتحد إلا مع غير المعادن التي تكون أكثر نشاطًا بالنسبة له. تشمل هذه المعادن الفلور ، في وجود الضوء ، يتحد الهيدروجين مع الكلور. إذا تم تسخين الهيدروجين ، فإنه يصبح أكثر نشاطًا ، ويتفاعل مع العديد من عناصر النظام الدوري لمندليف.

يُظهر الهيدروجين الذري خصائص كيميائية أكثر نشاطًا من الهيدروجين الجزيئي. تشكل جزيئات الأكسجين الماء - H2 + 1 / 2O2 = H2O. عندما يتفاعل الهيدروجين مع الهالوجينات ، تتشكل هاليدات الهيدروجين H2 + Cl2 = 2HCl ، ويدخل الهيدروجين في هذا التفاعل في غياب الضوء وعند درجات حرارة سالبة عالية بما فيه الكفاية - تصل إلى - 252 درجة مئوية. تجعل الخصائص الكيميائية للهيدروجين من الممكن استخدامه لتقليل العديد من المعادن ، لأنه عند التفاعل ، يمتص الهيدروجين الأكسجين من أكاسيد المعادن ، على سبيل المثال ، CuO + H2 = Cu + H2O. يشارك الهيدروجين في تكوين الأمونيا ، ويتفاعل مع النيتروجين في التفاعل 3H2 + N2 = 2NH3 ، ولكن بشرط استخدام محفز ، وزيادة درجة الحرارة والضغط.

يحدث التفاعل النشط عندما يتفاعل الهيدروجين مع الكبريت في تفاعل H2 + S = H2S ، مما ينتج عنه كبريتيد الهيدروجين. يكون تفاعل الهيدروجين مع التيلوريوم والسيلينيوم أقل نشاطًا قليلاً. إذا لم يكن هناك محفز ، فإنه يتفاعل مع الكربون النقي والهيدروجين فقط بشرط إنشاء درجات حرارة عالية. 2H2 + C (غير متبلور) = CH4 (الميثان). في عملية نشاط الهيدروجين مع بعض القلويات والمعادن الأخرى ، يتم الحصول على الهيدريدات ، على سبيل المثال ، H2 + 2Li = 2LiH.

الخصائص الفيزيائية للهيدروجين

الهيدروجين خفيف جدا المواد الكيميائية. على أقل تقدير ، يدعي العلماء أنه في الوقت الحالي ، لا توجد مادة أخف من الهيدروجين. كتلته أخف 14.4 مرة من الهواء ، وكثافته 0.0899 جم / لتر عند 0 درجة مئوية. عند درجات حرارة -259.1 درجة مئوية ، يكون الهيدروجين قادرًا على الذوبان - وهذه درجة حرارة حرجة للغاية ، وهي ليست نموذجية لتحول معظم مركبات كيميائيةمن دولة إلى أخرى. فقط عنصر مثل الهيليوم يتجاوز الخصائص الفيزيائية للهيدروجين في هذا الصدد. إن تسييل الهيدروجين أمر صعب ، حيث أن درجة حرارته الحرجة هي (-240 درجة مئوية). الهيدروجين هو أكثر الغازات المنتجة للحرارة التي عرفتها البشرية. جميع الخصائص المذكورة أعلاه هي أهم الخصائص الفيزيائية للهيدروجين التي يستخدمها الإنسان لأغراض محددة. أيضًا ، هذه الخصائص هي الأكثر صلة بالعلم الحديث.

يقع الهيدروجين في الجدول الدوري في المرتبة الأولى ، في المجموعتين الأولى والسابعة في آنٍ واحد. رمز الهيدروجين هو H (لات. هيدروجين). إنه غاز خفيف جدًا وعديم اللون والرائحة. هناك ثلاثة نظائر للهيدروجين: 1H - البروتيوم ، 2H - الديوتيريوم و 3 H - التريتيوم (المشع). تفاعل الهواء أو الأكسجين مع هيدروجين بسيط H₂ قابل للاشتعال للغاية ومتفجر أيضًا. الهيدروجين لا ينبعث منه منتجات سامة. قابل للذوبان في الإيثانول وعدد من المعادن (خاصة المجموعة الفرعية الجانبية).

انتشار الهيدروجين على الأرض

الهيدروجين مثل الأكسجين له أهمية كبيرة. ولكن ، على عكس الأكسجين ، يوجد كل الهيدروجين تقريبًا في شكل مرتبط بمواد أخرى. في حالة الحرية ، يكون موجودًا فقط في الغلاف الجوي ، لكن مقداره هناك ضئيل للغاية. الهيدروجين هو أحد مكونات معظم المركبات العضوية والكائنات الحية. غالبًا ما يحدث في شكل أكسيد - ماء.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

الهيدروجين غير نشط ، وعند تسخينه أو في وجود محفزات ، فإنه يتفاعل مع جميع العناصر الكيميائية البسيطة والمعقدة تقريبًا.

تفاعل الهيدروجين مع عناصر كيميائية بسيطة

في درجات الحرارة المرتفعة ، يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين والكبريت والكلور والنيتروجين. سوف تتعلم ما هي تجارب الغازات التي يمكنك القيام بها في المنزل.

خبرة في تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين في المختبر

لنأخذ الهيدروجين النقي ، الذي يأتي عبر أنبوب مخرج الغاز ، ونشعل فيه النار. سوف يحترق بلهب بالكاد ملحوظ. إذا قمت بوضع أنبوب هيدروجين في وعاء ، فسوف يستمر في الاحتراق وتتكون قطرات الماء على الجدران. تفاعل هذا الأكسجين مع الهيدروجين:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + Q

عندما يتم حرق الهيدروجين ، يتم توليد الكثير من الطاقة الحرارية. تصل درجة حرارة مزيج الأكسجين والهيدروجين إلى 2000 درجة مئوية. أكسجين الهيدروجين المؤكسد ، لذلك يسمى هذا التفاعل تفاعل الأكسدة.

في ظل الظروف العادية (بدون تسخين) ، يستمر التفاعل ببطء. وعند درجات حرارة أعلى من 550 درجة مئوية ، يحدث انفجار (يتكون ما يسمى بالغاز المتفجر). في الماضي ، كان الهيدروجين يستخدم غالبًا في بالونات، ولكن بسبب تكوين الغازات المتفجرة ، حدثت العديد من الكوارث. تحطمت سلامة الكرة وحدث انفجار: تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين. لذلك ، يتم استخدام الهيليوم الآن ، والذي يتم تسخينه بشكل دوري بواسطة اللهب.

يتفاعل الكلور مع الهيدروجين ويشكل كلوريد الهيدروجين (فقط في وجود الضوء والحرارة). يبدو التفاعل الكيميائي للهيدروجين والكلور كما يلي:

H₂ + Cl₂ = 2HCl

حقيقة مثيرة للاهتمام: تفاعل الفلور مع الهيدروجين يسبب انفجارًا حتى في الظلام وفي درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية.

يمكن أن يحدث تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين فقط عند التسخين وفي وجود محفز. ينتج عن هذا التفاعل الأمونيا. معادلة التفاعل:

ЗН₂ + N₂ = 2НН₃

يحدث تفاعل الكبريت والهيدروجين مع تكوين غاز - كبريتيد الهيدروجين. نتيجة لذلك ، تشعر برائحة البيض الفاسد:

H₂ + S = H₂S

في المعادن ، لا يذوب الهيدروجين فحسب ، بل يمكن أن يتفاعل معها أيضًا. نتيجة لذلك ، يتم تكوين مركبات تسمى الهيدريدات. تستخدم بعض الهيدريدات كوقود في الصواريخ. كما أنها تنتج الطاقة النووية.

التفاعل مع العناصر الكيميائية المعقدة

على سبيل المثال ، الهيدروجين مع أكسيد النحاس. خذ أنبوبًا من الهيدروجين وقم بتشغيله عبر مسحوق أكسيد النحاس. يحدث التفاعل بأكمله عند التسخين. سيتحول مسحوق النحاس الأسود إلى اللون البني والأحمر (لون النحاس العادي). ستظهر أيضًا قطرات من السائل على الأجزاء غير المسخنة من الدورق - وقد تشكل هذا.

تفاعل كيميائي:

CuO + H₂ = Cu + H₂O

كما ترى ، يتفاعل الهيدروجين مع أكسيد ويقلل النحاس.

ردود فعل الانتعاش

إذا كانت مادة ما تأخذ أكسيدًا أثناء التفاعل ، فهي عامل مختزل. في مثال تفاعل أكسيد النحاس نرى أن الهيدروجين كان عامل الاختزال. يتفاعل أيضًا مع بعض الأكاسيد الأخرى مثل HgO و MoO و PbO. في أي تفاعل ، إذا كان أحد العناصر عامل مؤكسد ، فسيكون الآخر عامل اختزال.

جميع مركبات الهيدروجين

مركبات الهيدروجين مع اللافلزات- الغازات السامة والمتطايرة للغاية (مثل كبريتيد الهيدروجين والسيلان والميثان).

هاليدات الهيدروجينكلوريد الهيدروجين هو الأكثر استخدامًا. عندما يذوب ، فإنه يشكل حمض الهيدروكلوريك. تشمل هذه المجموعة أيضًا: فلوريد الهيدروجين ، يوديد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين. كل هذه المركبات تشكل الأحماض المقابلة نتيجة لذلك.

بيروكسيد الهيدروجين (صيغة كيميائيةН₂О₂) أقوى خصائص مؤكسدة.

هيدروكسيدات الهيدروجينأو الماء H₂O.

الهيدريداتهي مركبات مع المعادن.

هيدروكسيداتهي الأحماض والقواعد والمركبات الأخرى التي تحتوي على الهيدروجين.

مركبات العضوية: البروتينات والدهون والدهون والهرمونات وغيرها.

الهيدروجين H عنصر كيميائي ، أحد أكثر العناصر شيوعًا في كوننا. تبلغ كتلة الهيدروجين كعنصر في تكوين المواد 75٪ من المحتوى الكلي للذرات من نوع آخر. يتم تضمينه في الاتصال الأكثر أهمية وحيوية على هذا الكوكب - الماء. من السمات المميزة للهيدروجين أيضًا أنه العنصر الأول في النظام الدوري العناصر الكيميائيةدي آي مينديليف.

الاكتشاف والاستكشاف

تعود الإشارات الأولى للهيدروجين في كتابات باراسيلسوس إلى القرن السادس عشر. لكن عزله عن خليط الغاز من الهواء ودراسة الخصائص القابلة للاحتراق قد تم إجراؤها بالفعل في القرن السابع عشر بواسطة العالم Lemery. تمت دراسة الهيدروجين بدقة من قبل الكيميائي والفيزيائي والطبيب الإنجليزي الذي أثبت بشكل تجريبي أن كتلة الهيدروجين هي الأصغر مقارنة مع الغازات الأخرى. في المراحل اللاحقة من تطور العلم ، عمل معه العديد من العلماء ، ولا سيما لافوازييه ، الذي أطلق عليه اسم "ولادة الماء".

المميزات حسب الموقع في PSCE

العنصر الذي يفتح الجدول الدوري لـ D.I Mendeleev هو الهيدروجين. تُظهر الخصائص الفيزيائية والكيميائية للذرة نوعًا من الازدواجية ، حيث يُشار إلى الهيدروجين في نفس الوقت إلى المجموعة الأولى ، المجموعة الفرعية الرئيسية ، إذا كان يتصرف كمعدن ويتخلى عن إلكترون واحد في هذه العملية تفاعل كيميائي، وإلى السابع - في حالة الملء الكامل لقشرة التكافؤ ، أي استقبال جسيم سالب ، والذي يميزه بأنه مشابه للهالوجينات.

ملامح الهيكل الإلكتروني للعنصر

ملكيات مواد معقدة، الذي تم تضمينه فيه ، ويتم تحديد أبسط مادة H 2 بشكل أساسي من خلال التكوين الإلكتروني للهيدروجين. يحتوي الجسيم على إلكترون واحد مع Z = (-1) ، والذي يدور في مداره حول النواة ، ويحتوي على بروتون واحد مع كتلة وحدة وشحنة موجبة (+1). له التكوين الإلكترونيةمكتوب بالشكل 1s 1 ، مما يعني وجود جسيم سالب واحد في المدار s الأول والوحيد للهيدروجين.

عندما يتم فصل الإلكترون أو التخلي عنه ، ولذرة هذا العنصر خاصية مرتبطة بالمعادن ، يتم الحصول على الكاتيون. في الواقع ، أيون الهيدروجين هو جسيم أولي موجب. لذلك ، يسمى الهيدروجين الخالي من الإلكترون بالبروتون.

الخصائص الفيزيائية

وصفًا موجزًا ​​للهيدروجين ، فهو غاز عديم اللون وقابل للذوبان بشكل طفيف وله قريب الكتلة الذريةيساوي 2 ، 14.5 مرة أخف من الهواء ، مع درجة حرارة تسييل تبلغ -252.8 درجة مئوية.

يمكن أن نرى بسهولة من التجربة أن H2 هو الأخف وزنا. للقيام بذلك ، يكفي ملء ثلاث كرات بمواد مختلفة - الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والهواء العادي - وإطلاقها في نفس الوقت من يدك. سيصل السائل المملوء بثاني أكسيد الكربون إلى الأرض أسرع من أي شخص آخر ، وبعد ذلك سوف يسقط منفوخًا بمزيج من الهواء ، والواحد الذي يحتوي على H 2 سيرتفع إلى السقف.

تبرر الكتلة والحجم الصغير لجزيئات الهيدروجين قدرتها على اختراق المواد المختلفة. في مثال الكرة نفسها ، من السهل التحقق من ذلك ، ففي غضون يومين سوف تنكمش نفسها ، لأن الغاز سيمر ببساطة عبر المطاط. كما يمكن أن يتراكم الهيدروجين في بنية بعض المعادن (البلاديوم أو البلاتين) ، ويتبخر منه عند ارتفاع درجة الحرارة.

تُستخدم خاصية قابلية ذوبان الهيدروجين المنخفضة في الممارسة المعملية لعزله بطريقة إزاحة الهيدروجين (الجدول أدناه يحتوي على المعلمات الرئيسية) لتحديد نطاق تطبيقه وطرق إنتاجه.

معلمة ذرة أو جزيء من مادة بسيطة	معنى
الكتلة الذرية (الكتلة المولية)	1.008 جم / مول
التكوين الإلكترونية	1 ثانية 1
خلية بلورية	سداسي الشكل
توصيل حراري	(300 كلفن) 0.1815 واط / (م · ك)
الكثافة في ن. ذ.	0.08987 جم / لتر
درجة حرارة الغليان	-252.76 درجة مئوية
الحرارة النوعية للاحتراق	120.9 10 6 جول / كجم
درجة حرارة الانصهار	-259.2 درجة مئوية
الذوبان في الماء	18.8 مل / لتر

تكوين النظائر

مثل العديد من الممثلين الآخرين للنظام الدوري للعناصر الكيميائية ، يحتوي الهيدروجين على العديد من النظائر الطبيعية ، أي الذرات ذات نفس العددالبروتونات في النواة ، ولكن عددًا مختلفًا من النيوترونات - جسيمات بدون شحنة وكتلة واحدة. ومن الأمثلة على الذرات التي لها خصائص مماثلة الأكسجين والكربون والكلور والبروم وغيرها ، بما في ذلك الذرات المشعة.

تختلف الخصائص الفيزيائية للهيدروجين 1 H ، الأكثر شيوعًا بين ممثلي هذه المجموعة ، اختلافًا كبيرًا عن نفس الخصائص لنظرائها. على وجه الخصوص ، تختلف خصائص المواد التي يتم تضمينها فيها. لذلك ، هناك ماء عادي ومزيل الدهن ، يحتوي في تركيبته ، بدلاً من ذرة هيدروجين مع بروتون واحد ، الديوتيريوم 2 H - نظيره مع جسيمين أساسيين: موجب وغير مشحون. هذا النظير هو ضعف ثقل الهيدروجين العادي ، وهو ما يفسر الاختلاف الأساسي في خصائص المركبات التي تتكون منها. في الطبيعة ، يعتبر الديوتيريوم أندر 3200 مرة من الهيدروجين. الممثل الثالث هو التريتيوم 3 H ، في النواة يحتوي على نيوترونين وبروتون واحد.

طرق الحصول والعزل

الأساليب المختبرية والصناعية مختلفة جدًا. لذلك ، بكميات صغيرة ، يتم الحصول على الغاز بشكل أساسي من خلال التفاعلات التي المعادن، ويستخدم الإنتاج على نطاق واسع التخليق العضوي إلى حد كبير.

تستخدم التفاعلات الكيميائية التالية في المختبر:

في المصالح الصناعية ، يتم الحصول على الغاز بطرق مثل:

1. التحلل الحراري للميثان في وجود محفز لمكوناته البسيطة (350 درجة تصل إلى قيمة مؤشر مثل درجة الحرارة) - الهيدروجين H 2 والكربون C.
2. تمرير الماء البخاري عبر فحم الكوك عند 1000 درجة مئوية مع تكوين ثاني أكسيد الكربون CO 2 و H 2 (الطريقة الأكثر شيوعًا).
3. تحويل غاز الميثان على محفز نيكل عند درجة حرارة تصل إلى 800 درجة.
4. الهيدروجين منتج ثانوي في التحليل الكهربائي للمحاليل المائية من البوتاسيوم أو كلوريد الصوديوم.

التفاعلات الكيميائية: أحكام عامة

تفسر الخصائص الفيزيائية للهيدروجين إلى حد كبير سلوكه في عمليات التفاعل مع مركب أو آخر. تكافؤ الهيدروجين هو 1 ، لأنه يقع في المجموعة الأولى في الجدول الدوري ، ودرجة الأكسدة تظهر درجة مختلفة. في جميع المركبات ، باستثناء الهيدرات ، الهيدروجين في s.o. = (1+) ، في جزيئات مثل XH ، XH 2 ، XH 3 - (1-).

يتكون جزيء غاز الهيدروجين ، الذي يتكون عن طريق تكوين زوج إلكترون معمم ، من ذرتين وهو مستقر تمامًا من حيث الطاقة ، ولهذا السبب يكون خاملًا إلى حد ما في ظل الظروف العادية ويدخل في تفاعلات عندما الظروف الطبيعية. اعتمادًا على درجة أكسدة الهيدروجين في تكوين المواد الأخرى ، يمكن أن يعمل كعامل مؤكسد وعامل مختزل.

المواد التي يتفاعل معها الهيدروجين ويتشكل

التفاعلات الأولية لتكوين مواد معقدة (غالبًا في درجات حرارة مرتفعة):

1. فلز قلوي وقلوي أرضي + هيدروجين = هيدريد.
2. هالوجين + H 2 = هاليد الهيدروجين.
3. كبريت + هيدروجين = كبريتيد الهيدروجين.
4. الأكسجين + H 2 = الماء.
5. كربون + هيدروجين = ميثان.
6. نيتروجين + H 2 = أمونيا.

التفاعل مع المواد المعقدة:

1. الحصول على غاز تخليق من أول أكسيد الكربون والهيدروجين.
2. استخلاص المعادن من أكاسيدها باستخدام H2.
3. التشبع بالهيدروجين من الهيدروكربونات الأليفاتية غير المشبعة.

رابطة الهيدروجين

الخصائص الفيزيائية للهيدروجين هي أنه عندما يقترن بعنصر كهربي ، فإنه يسمح له بتكوين نوع خاص من الروابط مع نفس الذرة من الجزيئات المجاورة التي تحتوي على أزواج إلكترونية غير مشتركة (على سبيل المثال ، الأكسجين والنيتروجين والفلور). ألمع مثال، التي من الأفضل النظر إلى ظاهرة مماثلة ، هي الماء. يمكن القول أنه مخيط بروابط هيدروجينية ، وهي أضعف من الروابط التساهمية أو الأيونية ، ولكن نظرًا لوجود العديد منها ، يكون لها تأثير كبير على خصائص المادة. في جوهرها ، الرابطة الهيدروجينية هي تفاعل إلكتروستاتيكي يربط جزيئات الماء في ثنائيات وبوليمرات ، مما يثبت ذلك درجة حرارة عاليةالغليان.

الهيدروجين في تكوين المركبات المعدنية

تحتوي جميعها على بروتون - كاتيون من ذرة مثل الهيدروجين. المادة التي تحتوي بقاياها الحمضية على حالة أكسدة أكبر من (-1) تسمى مركب متعدد القاعدة. يحتوي على العديد من ذرات الهيدروجين ، مما يؤدي إلى التفكك محاليل مائيةمتعدد المراحل. كل بروتون لاحق ينفصل عن بقية الحمض أكثر وأكثر صعوبة. وفقًا للمحتوى الكمي للهيدروجين في الوسط ، يتم تحديد حموضته.

التطبيق في الأنشطة البشرية

تتمتع الأسطوانات التي تحتوي على مادة ما ، وكذلك الحاويات التي تحتوي على غازات مسيلة أخرى ، مثل الأكسجين ، بمظهر خاص. تم طلاؤها باللون الأخضر الداكن مع حروف "هيدروجين" حمراء زاهية. يُضخ الغاز في أسطوانة تحت ضغط حوالي 150 جوًا. تستخدم الخصائص الفيزيائية للهيدروجين ، ولا سيما خفة الحالة الغازية للتجمع ، لملء البالونات والبالونات وما إلى ذلك ممزوجة بالهيليوم.

يستخدم الهيدروجين ، الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تعلم الناس استخدامها منذ سنوات عديدة ، حاليًا في العديد من الصناعات. يذهب معظمها لإنتاج الأمونيا. كما يدخل الهيدروجين في (الهافنيوم ، الجرمانيوم ، الغاليوم ، السيليكون ، الموليبدينوم ، التنجستن ، الزركونيوم وغيرها) من الأكاسيد ، ويعمل في التفاعل كعامل مختزل ، أحماض الهيدروسيانيك والهيدروكلوريك ، وكذلك الوقود السائل الصناعي. تستخدمه الصناعات الغذائية لتحويل الزيوت النباتية إلى دهون صلبة.

حددنا الخصائص الكيميائية واستخدام الهيدروجين في مختلف عمليات الهدرجة والهدرجة للدهون والفحم والهيدروكربونات والزيوت وزيت الوقود. مع ذلك ، ينتجون الأحجار الكريمة، المصابيح المتوهجة ، إجراء عمليات التشكيل واللحام للمنتجات المعدنية تحت تأثير لهب الأكسجين والهيدروجين.