Un compuesto químico que contiene hidrógeno. Hidrógeno en la naturaleza (0,9% en la corteza terrestre)

Hidrógeno - elemento especial, ocupando dos celdas a la vez en el sistema periódico de Mendeleev. Se encuentra en dos grupos de elementos con propiedades opuestas, y esta característica lo hace único. El hidrógeno es una sustancia simple y parte integral muchos conexiones complejas, es un elemento organogénico y biogénico. Vale la pena familiarizarse en detalle con sus principales características y propiedades.

Hidrógeno en el sistema periódico de Mendeleev

Las principales características del hidrógeno indicadas en:

• el número de serie del elemento es 1 (hay el mismo número de protones y electrones);
• masa atomica es 1,00795;
• el hidrógeno tiene tres isótopos, cada uno de los cuales tiene propiedades especiales;
• debido al contenido de un solo electrón, el hidrógeno puede exhibir propiedades reductoras y oxidantes, y después de la donación de un electrón, el hidrógeno tiene un orbital libre, que participa en la formación de enlaces químicos según el mecanismo donante-aceptor;
• el hidrógeno es un elemento ligero y de baja densidad;
• el hidrógeno es un agente reductor fuerte, abre el grupo de metal alcalino en el primer grupo del subgrupo principal;
• cuando el hidrógeno reacciona con metales y otros agentes reductores fuertes, acepta su electrón y se convierte en un agente oxidante. Tales compuestos se llaman hidruros. Por signo indicado el hidrógeno pertenece condicionalmente al grupo de los halógenos (en la tabla se da arriba del flúor entre paréntesis), con los que tiene similitudes.

El hidrógeno como sustancia simple.

El hidrógeno es un gas cuya molécula consta de dos. Esta sustancia fue descubierta en 1766 por el científico británico Henry Cavendish. Demostró que el hidrógeno es un gas que explota cuando interactúa con el oxígeno. Después de estudiar el hidrógeno, los químicos descubrieron que esta sustancia es la más ligera de todas las conocidas por el hombre.

Otro científico, Lavoisier, le dio al elemento el nombre de "hidrogenio", que en latín significa "dar a luz agua". En 1781, Henry Cavendish demostró que el agua es una combinación de oxígeno e hidrógeno. En otras palabras, el agua es el producto de la reacción del hidrógeno con el oxígeno. Las propiedades combustibles del hidrógeno eran conocidas incluso por los científicos antiguos: Paracelso, quien vivió en el siglo XVI, dejó los registros correspondientes.

El hidrógeno molecular es un compuesto gaseoso natural común en la naturaleza, que consta de dos átomos y cuando se levanta una astilla ardiente. Una molécula de hidrógeno puede decaer en átomos que se convierten en núcleos de helio, ya que son capaces de participar en reacciones nucleares. Tales procesos ocurren regularmente en el espacio y en el Sol.

Hidrógeno y sus propiedades físicas.

El hidrógeno tiene los siguientes parámetros físicos:

• hierve a -252,76 °C;
• funde a -259,14 °C; *dentro de los límites de temperatura indicados, el hidrógeno es un líquido inodoro e incoloro;
• el hidrógeno es ligeramente soluble en agua;
• el hidrógeno teóricamente puede transformarse en un estado metálico bajo condiciones especiales (bajas temperaturas y alta presión);
• el hidrógeno puro es una sustancia explosiva y combustible;
• el hidrógeno puede difundirse a través del espesor de los metales, por lo que se disuelve bien en ellos;
• el hidrógeno es 14,5 veces más ligero que el aire;
• en alta presión Se pueden obtener cristales similares a la nieve de hidrógeno sólido.

Propiedades químicas del hidrógeno.

Métodos de laboratorio:

• interacción de ácidos diluidos con metales activos y metales de actividad media;
• hidrólisis de hidruros metálicos;
• reacción con agua de metales alcalinos y alcalinotérreos.

Compuestos de hidrógeno:

haluros de hidrógeno; compuestos de hidrógeno volátiles de no metales; hidruros; hidróxidos; hidróxido de hidrógeno (agua); peróxido de hidrógeno; compuestos orgánicos (proteínas, grasas, carbohidratos, vitaminas, lípidos, aceites esenciales, hormonas). Haga clic para ver experimentos seguros sobre el estudio de las propiedades de proteínas, grasas y carbohidratos.

Para recolectar el hidrógeno resultante, debe mantener el tubo de ensayo boca abajo. El hidrógeno no se puede recoger como el dióxido de carbono, porque es mucho más ligero que el aire. El hidrógeno se evapora rápidamente y cuando se mezcla con aire (o en una gran acumulación) explota. Por lo tanto, es necesario invertir el tubo. Inmediatamente después del llenado, el tubo se cierra con un tapón de goma.

Para verificar la pureza del hidrógeno, debe acercar un fósforo encendido al cuello del tubo de ensayo. Si se produce un estallido sordo y silencioso, el gas está limpio y las impurezas del aire son mínimas. Si el estallido es fuerte y silbante, el gas en el tubo de ensayo está sucio y contiene una gran proporción de componentes extraños.

¡Atención! ¡No intente repetir estos experimentos usted mismo!

Hidrógeno(lat. Hydrogenium), H, un elemento químico, el primero por número de serie en el sistema periódico de Mendeleev; masa atómica 1,0079. En condiciones ordinarias, el hidrógeno es un gas; no tiene color, olor y sabor.

Distribución del Hidrógeno en la naturaleza. El hidrógeno se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza, su contenido en la corteza terrestre (litosfera e hidrosfera) es del 1% en masa y del 16% en número de átomos. El hidrógeno forma parte de la sustancia más común en la Tierra, el agua (11,19 % de hidrógeno en masa), en los compuestos que forman el carbón, el petróleo, los gases naturales, las arcillas, así como en los organismos animales y vegetales (es decir, en la composición de proteínas, ácidos nucleicos, grasas, carbohidratos, etc.). El hidrógeno es extremadamente raro en estado libre; se encuentra en pequeñas cantidades en gases volcánicos y otros gases naturales. Cantidades insignificantes de hidrógeno libre (0,0001% por número de átomos) están presentes en la atmósfera. En el espacio cercano a la Tierra, el hidrógeno en forma de una corriente de protones forma el cinturón de radiación interno ("protón") de la Tierra. El hidrógeno es el elemento más abundante en el espacio. En forma de plasma, constituye aproximadamente la mitad de la masa del Sol y la mayoría de las estrellas, la mayor parte de los gases del medio interestelar y las nebulosas gaseosas. El hidrógeno está presente en la atmósfera de varios planetas y cometas en forma de H 2 libre, metano CH 4 , amoníaco NH 3 , agua H 2 O, radicales como CH, NH, OH, SiH, PH, etc. El hidrógeno entra en forma de flujo de protones en la radiación corpuscular del Sol y rayos cósmicos.

Isótopos, átomo y molécula de Hidrógeno. El hidrógeno ordinario consiste en una mezcla de 2 isótopos estables: hidrógeno ligero o protio (1 H) e hidrógeno pesado o deuterio (2 H o D). En los compuestos de hidrógeno natural, hay un promedio de 6800 átomos de 1 H por 1 átomo de 2 H. Un isótopo radiactivo con un número de masa de 3 se denomina hidrógeno superpesado, o tritio (3 H o T), con radiación β suave. y una vida media T ½ = 12.262 años. En la naturaleza, el tritio se forma, por ejemplo, a partir del nitrógeno atmosférico bajo la acción de los neutrones de los rayos cósmicos; es insignificante en la atmósfera (4·10 -15% del número total de átomos de hidrógeno). Se obtuvo un isótopo extremadamente inestable 4 H. Los números de masa de los isótopos 1 H, 2 H, 3 H y 4 H, respectivamente 1, 2, 3 y 4, indican que el núcleo del átomo de protio contiene solo un protón, deuterio - un protón y un neutrón, tritio - un protón y 2 neutrones, 4 H - un protón y 3 neutrones. La gran diferencia en las masas de los isótopos del Hidrógeno provoca una diferencia más notoria en sus propiedades físicas y químicas que en el caso de los isótopos de otros elementos.

El átomo de hidrógeno tiene la estructura más simple entre los átomos de todos los demás elementos: consta de un núcleo y un electrón. La energía de enlace de un electrón con un núcleo (potencial de ionización) es de 13.595 eV. Átomo neutro El hidrógeno también puede unirse a un segundo electrón, formando un ion negativo H; en este caso, la energía de enlace del segundo electrón con un átomo neutro (afinidad electrónica) es de 0,78 eV. Mecánica cuántica permite calcular todos los niveles de energía posibles del átomo de Hidrógeno y, en consecuencia, dar una interpretación completa de su espectro atómico. El átomo de hidrógeno se utiliza como átomo modelo en los cálculos mecánicos cuánticos de los niveles de energía de otros átomos más complejos.

La molécula de hidrógeno H 2 consta de dos átomos conectados por un covalente enlace químico. La energía de disociación (es decir, la descomposición en átomos) es de 4,776 eV. La distancia interatómica en la posición de equilibrio de los núcleos es de 0,7414 Å. En altas temperaturas El hidrógeno molecular se disocia en átomos (grado de disociación a 2000°C 0,0013, a 5000°C 0,95). hidrógeno atómico también formado en varios reacciones químicas(por ejemplo, por la acción del Zn sobre ácido clorhídrico). Sin embargo, la existencia del Hidrógeno en estado atómico dura sólo un tiempo corto, los átomos se recombinan en moléculas de H 2 .

Propiedades físicas del Hidrógeno. El hidrógeno es la más ligera de todas las sustancias conocidas (14,4 veces más ligera que el aire), densidad 0,0899 g/la 0°C y 1 atm. El hidrógeno hierve (licua) y funde (solidifica) a -252,8 °C y -259,1 °C, respectivamente (solo el helio tiene más temperaturas bajas fusión y ebullición). La temperatura crítica del Hidrógeno es muy baja (-240°C), por lo que su licuefacción está asociada a grandes dificultades; presión crítica 12,8 kgf/cm 2 (12,8 atm), densidad crítica 0,0312 g/cm 3. El hidrógeno tiene la conductividad térmica más alta de todos los gases, igual a 0,174 W/(m·K) a 0°С y 1 atm, es decir, 4,16·10 -4 cal/(s·cm·°С). Calor especifico Hidrógeno a 0°C y 1 atm C p 14.208 kJ/(kg K), es decir 3.394 cal/(g°C). El hidrógeno es ligeramente soluble en agua (0,0182 ml / g a 20 ° C y 1 atm), pero bien, en muchos metales (Ni, Pt, Pa y otros), especialmente en paladio (850 volúmenes por 1 volumen de Pd). La solubilidad del Hidrógeno en los metales está relacionada con su capacidad de difundirse a través de ellos; la difusión a través de una aleación de carbono (por ejemplo, acero) a veces va acompañada de la destrucción de la aleación debido a la interacción del hidrógeno con el carbono (la llamada descarbonización). El hidrógeno líquido es muy ligero (densidad a -253 °C 0,0708 g/cm3) y fluido (viscosidad a -253 °C 13,8 centipoise).

Propiedades químicas Hidrógeno. En la mayoría de los compuestos, el hidrógeno exhibe una valencia (más precisamente, el estado de oxidación) +1, como el sodio y otros Metales alcalinos; por lo general se considera como un análogo de estos metales, encabezando el grupo I del sistema de Mendeleev. Sin embargo, en los hidruros metálicos, el ion Hidrógeno está cargado negativamente (estado de oxidación -1), es decir, el hidruro Na + H - se construye como el cloruro Na + Cl -. Este y algunos otros hechos (la proximidad de las propiedades físicas del hidrógeno y los halógenos, la capacidad de los halógenos para reemplazar al hidrógeno en los compuestos orgánicos) dan motivos para incluir el hidrógeno también en el grupo VII del sistema periódico. En condiciones normales, el hidrógeno molecular es relativamente inactivo, combinándose directamente solo con los no metales más activos (con flúor y, a la luz, también con cloro). Sin embargo, cuando se calienta, reacciona con muchos elementos. El hidrógeno atómico tiene una mayor actividad química en comparación con el hidrógeno molecular. El hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua:

H 2 + 1/2 O 2 \u003d H 2 O

con la liberación de 285,937 kJ/mol, es decir, 68,3174 kcal/mol de calor (a 25°C y 1 atm). A temperaturas ordinarias, la reacción procede extremadamente lentamente, por encima de 550 ° C, con una explosión. Los límites explosivos de una mezcla de hidrógeno y oxígeno son (en volumen) de 4 a 94% H 2, y una mezcla de hidrógeno y aire - de 4 a 74% H 2 (una mezcla de 2 volúmenes de H 2 y 1 volumen de O 2 se llama gas explosivo). El hidrógeno se utiliza para reducir muchos metales, ya que les quita oxígeno a sus óxidos:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O,

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O, etc.

Con halógenos, el hidrógeno forma haluros de hidrógeno, por ejemplo:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.

El hidrógeno explota con el flúor (incluso en la oscuridad ya -252°C), reacciona con el cloro y el bromo solo cuando se ilumina o se calienta, y con el yodo solo cuando se calienta. El hidrógeno reacciona con el nitrógeno para formar amoníaco:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

sólo en un catalizador y a temperaturas y presiones elevadas. Cuando se calienta, el hidrógeno reacciona vigorosamente con el azufre:

H 2 + S \u003d H 2 S (sulfuro de hidrógeno),

mucho más difícil con selenio y telurio. El hidrógeno puede reaccionar con carbono puro sin catalizador solo a altas temperaturas:

2H 2 + C (amorfo) = CH 4 (metano).

El hidrógeno reacciona directamente con algunos metales (álcalis, alcalinotérreos y otros), formando hidruros:

H2 + 2Li = 2LiH.

Importante valor práctico tienen reacciones de Hidrógeno con monóxido de carbono (II), en las que, dependiendo de la temperatura, presión y catalizador, se forman diversos compuestos orgánicos, por ejemplo, HCHO, CH 3 OH, y otros. Los hidrocarburos insaturados reaccionan con el hidrógeno para saturarse, por ejemplo:

C norte H 2n + H 2 \u003d C norte H 2n + 2.

El papel del hidrógeno y sus compuestos en la química es excepcionalmente grande. Condiciones de hidrógeno propiedades ácidas los llamados ácidos protónicos. El hidrógeno tiende a formar el llamado enlace de hidrógeno con algunos elementos, lo que tiene una influencia decisiva en las propiedades de muchos compuestos orgánicos e inorgánicos.

Obteniendo Hidrógeno. Los principales tipos de materias primas para producción industrial Hidrógeno: gases combustibles naturales, gas de horno de coque y gases de refinación de petróleo. El hidrógeno también se obtiene del agua por electrólisis (en lugares con electricidad barata). Los métodos más importantes para la producción de hidrógeno a partir de gas natural son la interacción catalítica de hidrocarburos, principalmente metano, con vapor de agua (conversión):

CH 4 + H 2 O \u003d CO + ZH 2,

y oxidación incompleta de hidrocarburos por oxígeno:

CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO + 2H 2

El monóxido de carbono resultante (II) también se somete a conversión:

CO + H 2 O \u003d CO 2 + H 2.

El hidrógeno producido a partir del gas natural es el más barato.

El hidrógeno se aísla del gas del horno de coque y de los gases de refinería mediante la eliminación de los componentes restantes de la mezcla de gases, que se licuan más fácilmente que el hidrógeno, tras un enfriamiento profundo. La electrólisis del agua se realiza con corriente continua, pasándola por una solución de KOH o NaOH (no se utilizan ácidos para evitar la corrosión de los equipos de acero). El hidrógeno se produce en los laboratorios por electrólisis del agua, así como por la reacción entre el zinc y el ácido clorhídrico. Sin embargo, con mayor frecuencia usan hidrógeno listo para usar en cilindros.

Aplicación de Hidrógeno. El hidrógeno comenzó a producirse a escala industrial a finales del siglo XVIII para llenar globos. En la actualidad, el hidrógeno es ampliamente utilizado en industria química, principalmente para la producción de amoníaco. Un gran consumidor de hidrógeno es también la producción de metilo y otros alcoholes, gasolina sintética y otros productos obtenidos por síntesis a partir de hidrógeno y monóxido de carbono (II). El hidrógeno se utiliza para la hidrogenación de combustibles sólidos y líquidos pesados, grasas y otros, para la síntesis de HCl, para el hidrotratamiento de derivados del petróleo, en soldadura y corte de metales con llama de oxígeno-hidrógeno (temperatura hasta 2800 °C) y en soldadura de hidrógeno atómico (hasta 4000 °C) . Muy aplicación importante Los isótopos de hidrógeno, el deuterio y el tritio, se encontraron en la ingeniería de energía nuclear.

fenoles

Estructura
El grupo hidroxilo en las moléculas de los compuestos orgánicos puede estar conectado directamente al núcleo aromático o puede estar separado de él por uno o más átomos de carbono. Se puede esperar que, dependiendo de esto, las propiedades de las sustancias difieran significativamente entre sí debido a la influencia mutua de los grupos de átomos (recuerde una de las disposiciones de la teoría de Butlerov). De hecho, los compuestos orgánicos que contienen un radical fenilo aromático C 6 H 5 - unido directamente a un grupo hidroxilo exhiben propiedades especiales que difieren de las de los alcoholes. Estos compuestos se denominan fenoles.

fenoles - Sustancias orgánicas cuyas moléculas contienen un radical fenilo asociado a uno o más grupos hidroxilo.
Al igual que los alcoholes, los fenoles se clasifican por atomicidad, es decir, por el número de grupos hidroxilo. Los fenoles monoatómicos contienen un grupo hidroxilo en la molécula:

Hay otros poliatómicos fenoles que contiene tres o más grupos hidroxilo en el anillo de benceno.
Conozcamos con más detalle la estructura y las propiedades del representante más simple de esta clase: el fenol C6H50H. El nombre de esta sustancia formó la base del nombre de toda la clase: fenoles.

Propiedades físicas
Sustancia sólida cristalina incolora, tºpl = 43 °C, tº bp = °C, con olor fuerte característico. Venenoso. El fenol es ligeramente soluble en agua a temperatura ambiente. Una solución acuosa de fenol se llama ácido carbólico. Provoca quemaduras al contacto con la piel, por lo que el fenol debe manipularse con cuidado.
La estructura de la molécula de fenol.
En la molécula de fenol, el hidroxilo está directamente unido al átomo de carbono del núcleo aromático del benceno.
Recordemos la estructura de los grupos de átomos que forman la molécula de fenol.
El anillo aromático consta de seis átomos de carbono que forman un hexágono regular debido a la hibridación sp 2 de los orbitales electrónicos de seis átomos de carbono. Estos átomos están unidos por enlaces z. Los electrones p de cada átomo de carbono que no participan en la formación de enlaces st, se superponen en lados diferentes planos de enlace z, forman dos partes de un solo seis electrones PAG-una nube que cubre todo el anillo bencénico (núcleo aromático). En la molécula de benceno C6H6, el núcleo aromático es absolutamente simétrico, un solo componente electrónico. PAG-nube cubre uniformemente el anillo de átomos de carbono por debajo y por encima del plano de la molécula (Fig. 24). El enlace covalente entre los átomos de oxígeno e hidrógeno del radical hidroxilo es fuertemente polar, la nube de electrones común Conexiones O-N desplazado hacia el átomo de oxígeno, en el que hay una carga negativa parcial, y en el átomo de hidrógeno, una carga positiva parcial. Además, el átomo de oxígeno en el grupo hidroxilo tiene dos pares de electrones no compartidos que pertenecen solo a él.

En una molécula de fenol, el radical hidroxilo interactúa con el núcleo aromático, mientras que los pares de electrones solitarios del átomo de oxígeno interactúan con una sola nube TC del anillo de benceno, formando un solo sistema electrónico. Esta interacción de no compartidos pares de electrones y las nubes de enlaces r se llaman conjugación. Como resultado de la conjugación del par de electrones solitario del átomo de oxígeno del grupo hidroxilo con sistema electrónico anillo de benceno, la densidad de electrones en el átomo de oxígeno disminuye. Esta disminución se compensa con la mayor polarización del enlace О–Н, lo que, a su vez, conduce a un aumento de la carga positiva en el átomo de hidrógeno. Por lo tanto, el hidrógeno del grupo hidroxilo en la molécula de fenol tiene un carácter "ácido".
Es lógico suponer que la conjugación de los electrones del anillo de benceno y el grupo hidroxilo afecta no solo sus propiedades, sino también la reactividad del anillo de benceno.
De hecho, como recordará, la conjugación de los pares solitarios del átomo de oxígeno con la nube n del anillo de benceno conduce a una redistribución de la densidad de electrones en él. Disminuye en el átomo de carbono asociado con el grupo OH (afecta la influencia de los pares de electrones del átomo de oxígeno) y aumenta en los átomos de carbono adyacentes (es decir, posiciones 2 y 6, o posiciones orto). Obviamente, un aumento en la densidad de electrones en estos átomos de carbono del anillo de benceno conduce a la localización (concentración) de una carga negativa en ellos. Bajo la influencia de esta carga, hay una mayor redistribución de la densidad de electrones en el núcleo aromático: su desplazamiento desde los átomos tercero y quinto (posición .meta) al cuarto (posición orto). Estos procesos se pueden expresar mediante el esquema:

Por lo tanto, la presencia de un radical hidroxilo en la molécula de fenol conduce a un cambio en la nube de n del anillo de benceno, un aumento en la densidad de electrones en los átomos de carbono 2, 4 y 6 (posiciones orto-, dara) y una disminución en la densidad de electrones en los átomos de carbono tercero y quinto (posiciones meta).
La localización de la densidad electrónica en las posiciones orto y para las hace más propensas a ser atacadas por partículas electrofílicas cuando interactúan con otras sustancias.
En consecuencia, la influencia de los radicales que componen la molécula de fenol es mutua y determina sus propiedades características.
Propiedades químicas del fenol
Propiedades ácidas
Como ya se mencionó, el átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo del fenol tiene un carácter ácido. Las propiedades ácidas del fenol son más pronunciadas que las del agua y los alcoholes. A diferencia de los alcoholes y el agua, el fenol reacciona no solo con los metales alcalinos, sino también con los álcalis para formar fenolatos.
Sin embargo, las propiedades ácidas de los fenoles son menos pronunciadas que las de los ácidos inorgánicos y carboxílicos. Así, por ejemplo, las propiedades ácidas del fenol son aproximadamente 3000 veces menores que las del ácido carbónico. Por lo tanto, al pasar dióxido de carbono a través de una solución acuosa de fenolato de sodio, se puede aislar el fenol libre:

La adición de ácido clorhídrico o sulfúrico a una solución acuosa de fenolato de sodio también conduce a la formación de fenol.
Reacción cualitativa al fenol
El fenol reacciona con el cloruro de hierro (III) para formar un color intenso púrpura conexión compleja.
Esta reacción permite detectarlo incluso en cantidades muy pequeñas. Otros fenoles que contienen uno o más grupos hidroxilo en el anillo de benceno también dan un color azul violeta brillante cuando reaccionan con cloruro de hierro (III).
Reacciones del anillo de benceno
La presencia de un sustituyente hidroxilo facilita en gran medida el curso de las reacciones de sustitución electrofílica en el anillo de benceno.
1. Brominación de fenol. A diferencia del benceno, la bromación de fenol no requiere la adición de un catalizador (bromuro de hierro (III)).
Además, la interacción con el fenol procede selectivamente (selectivamente): los átomos de bromo se envían a las posiciones orto y para, reemplazando los átomos de hidrógeno ubicados allí. La selectividad de la sustitución se explica por las características de la estructura electrónica de la molécula de fenol discutidas anteriormente. Entonces, cuando el fenol reacciona con el agua de bromo, se forma un precipitado blanco de 2,4,6-tribromofenol.
Esta reacción, así como la reacción con cloruro de hierro (III), sirve para la detección cualitativa de fenol.

2. La nitración de fenol también es más fácil que la nitración de benceno. La reacción con ácido nítrico diluido transcurre a temperatura ambiente. Como resultado, se forma una mezcla de isómeros orto y para de nitrofenol:

3. La hidrogenación del anillo aromático del fenol en presencia de un catalizador es fácil.
4. La policondensación de fenol con aldehídos, en particular, con formaldehído, ocurre con la formación de productos de reacción: resinas de fenol-formaldehído y polímeros sólidos.
La interacción de fenol con formaldehído se puede describir mediante el esquema:

Probablemente haya notado que los átomos de hidrógeno "móviles" se conservan en la molécula de dímero, lo que significa que la reacción puede continuar con una cantidad suficiente de reactivos.
La reacción de policondensación, es decir, la reacción de obtención de un polímero, que procede con la liberación de un subproducto de bajo peso molecular (agua), puede continuar más (hasta que uno de los reactivos se consuma por completo) con la formación de macromoléculas enormes. El proceso se puede describir mediante la ecuación general:

La formación de moléculas lineales ocurre a temperatura ordinaria. Llevar a cabo esta reacción cuando se calienta conduce al hecho de que el producto resultante tiene una estructura ramificada, es sólido e insoluble en agua. Como resultado del calentamiento de una resina de fenol-formaldehído de estructura lineal con un exceso de aldehído, se obtienen masas plásticas sólidas con propiedades únicas. Los polímeros a base de resinas de fenol-formaldehído se utilizan para la fabricación de barnices y pinturas, productos plásticos que son resistentes al calentamiento, enfriamiento, agua, álcalis y ácidos, tienen altas propiedades dieléctricas. De los polímeros a base de resinas de fenol-formaldehído, los más responsables y detalles importantes electrodomésticos, cajas de unidades de potencia y partes de máquinas, base de polímero de placas de circuito impreso para dispositivos de radio.

Los adhesivos a base de resinas de fenol-formaldehído pueden unir de manera confiable piezas de diversa naturaleza, manteniendo la mayor fuerza de unión en un rango de temperatura muy amplio. Tal pegamento se usa para sujetar la base de metal de las lámparas de iluminación a una bombilla de vidrio. Ahora le ha quedado claro por qué el fenol y los productos basados ​​en él son ampliamente utilizados (Esquema 8).

Hidrógeno (papel de calco del latín: lat. Hydrogenium - hydro = "agua", gen = "generar"; hidrógeno - "generar agua"; denotado por el símbolo H) - el primer elemento de la tabla periódica de elementos. Ampliamente distribuida en la naturaleza. El catión (y núcleo) del isótopo más común de hidrógeno 1 H es el protón. Las propiedades del núcleo de 1 H hacen posible el uso generalizado de la espectroscopia de RMN en el análisis materia orgánica.

Tres isótopos de hidrógeno tienen sus propios nombres: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D) y 3 H - tritio (radiactivo) (T).

La sustancia simple hidrógeno - H 2 - es un gas incoloro ligero. En mezcla con aire u oxígeno, es combustible y explosivo. No tóxico. Disolveremos en etanol y una serie de metales: hierro, níquel, paladio, platino.

Historia

La liberación de gas combustible durante la interacción de ácidos y metales se observó en el 16 y siglos XVII en los albores de la formación de la química como ciencia. Mikhail Vasilyevich Lomonosov también señaló directamente su aislamiento, pero definitivamente se dio cuenta de que esto no era flogisto. El físico y químico inglés Henry Cavendish estudió este gas en 1766 y lo llamó "aire combustible". Cuando se quemaba, el "aire combustible" producía agua, pero la adherencia de Cavendish a la teoría del flogisto le impedía sacar las conclusiones correctas. El químico francés Antoine Lavoisier, junto con el ingeniero J. Meunier, utilizando gasómetros especiales, en 1783 realizaron la síntesis del agua, y luego su análisis, descomponiendo el vapor de agua con hierro al rojo vivo. Así, estableció que el “aire combustible” es parte del agua y se puede obtener de ella.

origen del nombre

Lavoisier le dio al hidrógeno el nombre hydrogène (del otro griego ὕδωρ - agua y γεννάω - doy a luz) - "dando a luz agua". El nombre ruso "hidrógeno" fue propuesto por el químico M.F. Solovyov en 1824, por analogía con "oxígeno" de M.V. Lomonosov.

Predominio

En el universo
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. Representa aproximadamente el 92% de todos los átomos (el 8% son átomos de helio, la proporción de todos los demás elementos combinados es inferior al 0,1%). Así, el hidrógeno es el principal componente de las estrellas y del gas interestelar. En condiciones de temperatura estelar (por ejemplo, la temperatura de la superficie del Sol es ~ 6000 °C), el hidrógeno existe en forma de plasma; en el espacio interestelar, este elemento existe en forma de moléculas individuales, átomos e iones y puede forman nubes moleculares que difieren significativamente en tamaño, densidad y temperatura.

La corteza terrestre y los organismos vivos.
La fracción de masa de hidrógeno en la corteza terrestre es del 1%; este es el décimo elemento más común. Sin embargo, su papel en la naturaleza no está determinado por la masa, sino por la cantidad de átomos, cuya proporción entre otros elementos es del 17% (segundo lugar después del oxígeno, cuya proporción de átomos es ~ 52%). Por lo tanto, el valor del hidrógeno en procesos quimicos que ocurre en la Tierra es casi tan grande como el oxígeno. A diferencia del oxígeno, que existe en la Tierra tanto en estado libre como ligado, prácticamente todo el hidrógeno en la Tierra se encuentra en forma de compuestos; solo una cantidad muy pequeña de hidrógeno en forma de sustancia simple se encuentra en la atmósfera (0,00005% en volumen).
El hidrógeno es un componente de casi todas las sustancias orgánicas y está presente en todas las células vivas. En las células vivas, por el número de átomos, el hidrógeno representa casi el 50%.

Recibo

Los métodos industriales para la obtención de sustancias simples dependen de la forma en que se encuentre en la naturaleza el elemento correspondiente, es decir, cuál puede ser la materia prima para su producción. Así, se obtiene oxígeno, disponible en estado libre. de forma física- liberación del aire líquido. El hidrógeno, en cambio, se encuentra casi todo en forma de compuestos, por lo tanto, para obtenerlo, metodos quimicos. En particular, pueden usarse reacciones de descomposición. Una de las formas de producir hidrógeno es la reacción de descomposición del agua por la corriente eléctrica.
El principal método industrial para producir hidrógeno es la reacción con agua del metano, que forma parte del gas natural. Se lleva a cabo a alta temperatura:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Uno de los métodos de laboratorio para la producción de hidrógeno, que a veces se utiliza en la industria, es la descomposición del agua por corriente eléctrica. El hidrógeno generalmente se produce en el laboratorio al hacer reaccionar zinc con ácido clorhídrico.

DEFINICIÓN

Hidrógeno- primer elemento sistema periodico elementos químicos D.I. Mendeleev. El símbolo es N.

Masa atómica - 1 a.m.u. La molécula de hidrógeno es diatómica - H 2.

Configuración electrónicaátomo de hidrógeno - 1s 1. El hidrógeno pertenece a la familia de los elementos s. En sus compuestos presenta estados de oxidación -1, 0, +1. El hidrógeno natural consta de dos isótopos estables: protio 1 H (99,98 %) y deuterio 2 H (D) (0,015 %) y un isótopo radiactivo de tritio 3 H (T) (cantidades traza, vida media: 12,5 años).

Propiedades químicas del hidrógeno.

En condiciones normales, el hidrógeno molecular exhibe una reactividad relativamente baja, lo que se explica por la alta fuerza de enlace en la molécula. Cuando se calienta, interactúa con casi todos sustancias simples formado por elementos de los subgrupos principales (excepto Gases nobles, B, Si, P, Al). En las reacciones químicas, puede actuar como agente reductor (más a menudo) y como agente oxidante (con menos frecuencia).

Manifiestos de hidrógeno propiedades del agente reductor(H 2 0 -2e → 2H +) en las siguientes reacciones:

1. Reacciones de interacción con sustancias simples - no metales. El hidrógeno reacciona con halógenos, además, la reacción de interacción con flúor en condiciones normales, en la oscuridad, con una explosión, con cloro, bajo iluminación (o radiación UV) por un mecanismo en cadena, con bromo y yodo solo cuando se calienta; oxígeno(una mezcla de oxígeno e hidrógeno en una proporción de volumen de 2:1 se llama "gas explosivo"), gris, nitrógeno Y carbón:

H 2 + Hal 2 \u003d 2HHal;

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S \u003d H 2 S (t \u003d 150 - 300C);

3H2 + N2 ↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Reacciones de interacción con sustancias complejas. El hidrógeno reacciona con óxidos de metales de baja actividad, y es capaz de reducir solo los metales que están en la serie de actividad a la derecha del zinc:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 \u003d W + 3H 2 O (t).

El hidrógeno reacciona con óxidos no metálicos:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

El hidrógeno entra en reacciones de hidrogenación con compuestos orgánicos la clase de los cicloalcanos, alquenos, arenos, aldehídos y cetonas, etc. Todas estas reacciones se realizan bajo calentamiento, bajo presión, se utiliza platino o níquel como catalizadores:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH3CHO + H2 ↔ CH3-CH2-OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH (OH) -CH 3.

Hidrógeno como agente oxidante(H 2 + 2e → 2H -) actúa en reacciones con metales alcalinos y alcalinotérreos. En este caso, se forman hidruros, compuestos iónicos cristalinos en los que el hidrógeno presenta un estado de oxidación de -1.

2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Propiedades físicas del hidrógeno

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, de densidad n.o. - 0,09 g/l, 14,5 veces más ligero que el aire, t bale = -252,8C, t pl = -259,2C. El hidrógeno es poco soluble en agua y disolventes orgánicos, es muy soluble en algunos metales: níquel, paladio, platino.

Según la cosmoquímica moderna, el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. La principal forma de existencia del hidrógeno en el espacio exterior son los átomos individuales. El hidrógeno es el noveno elemento más abundante en la Tierra. La cantidad principal de hidrógeno en la Tierra se encuentra en un estado ligado: en la composición del agua, el petróleo, el gas natural, el carbón, etc. En forma de una sustancia simple, el hidrógeno rara vez se encuentra en la composición de los gases volcánicos.

Obtener hidrogeno

Existen métodos industriales y de laboratorio para producir hidrógeno. Los métodos de laboratorio incluyen la interacción de metales con ácidos (1), así como la interacción del aluminio con soluciones acuosas de álcalis (2). Entre formas industriales la electrólisis de soluciones acuosas de álcalis y sales (3) y la conversión de metano (4) juegan un papel importante en la producción de hidrógeno:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na +3 H2 (2);

2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Ejemplos de resolución de problemas

EJEMPLO 1

Ejercicio	Al interactuar 23,8 g de estaño metálico con un exceso de ácido clorhídrico, se libera hidrógeno en cantidad suficiente para obtener 12,8 g de cobre metálico Determinar el estado de oxidación del estaño en el compuesto resultante.
Solución	Con base en la estructura electrónica del átomo de estaño (...5s 2 5p 2), podemos concluir que el estaño se caracteriza por dos estados de oxidación: +2, +4. En base a esto, compondremos las ecuaciones de posibles reacciones: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3). Encuentre la cantidad de sustancia de cobre: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. De acuerdo con la ecuación 3, la cantidad de sustancia de hidrógeno: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Conociendo la masa de estaño, encontramos su cantidad de sustancia: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Comparemos las cantidades de sustancias de estaño e hidrógeno según las ecuaciones 1 y 2 y según la condición del problema: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (ecuación 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (ecuación 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (condición del problema). Por tanto, el estaño reacciona con el ácido clorhídrico según la ecuación 1 y el estado de oxidación del estaño es +2.
Respuesta	El estado de oxidación del estaño es +2.

EJEMPLO 2

Ejercicio	El gas liberado por la acción de 2,0 g de zinc por 18,7 ml de ácido clorhídrico al 14,6% (densidad de la solución 1,07 g/ml) se pasó por calentamiento sobre 4,0 g de óxido de cobre (II). ¿Cuál es la masa de la mezcla sólida resultante?
Solución	Cuando el zinc reacciona con el ácido clorhídrico, se libera hidrógeno: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), que, cuando se calienta, reduce el óxido de cobre (II) a cobre (2): CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. Encuentre la cantidad de sustancias en la primera reacción: m (p-ra Hcl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v (HCl) \u003d 2.92 / 36.5 \u003d 0.08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. El zinc es deficiente, por lo que la cantidad de hidrógeno liberado es: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0.031 mol. En la segunda reacción, el hidrógeno es deficiente porque: v (CuO) \u003d 4.0 / 80 \u003d 0.05 mol. Como resultado de la reacción, 0,031 mol de CuO se convertirán en 0,031 mol de Cu y la pérdida de masa será: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0.031 × 80 - 0.031 × 64 \u003d 0.50 g. La masa de la mezcla sólida de CuO con Cu después de pasar hidrógeno será: 4,0-0,5 = 3,5 g
Respuesta	La masa de la mezcla sólida de CuO con Cu es de 3,5 g.

El átomo de hidrógeno tiene la fórmula electrónica del (y único) nivel electrónico externo 1 s 1 . Por un lado, por la presencia de un electrón en el nivel electrónico exterior, el átomo de hidrógeno es similar a los átomos de metales alcalinos. Sin embargo, al igual que los halógenos, solo le falta un electrón para llenar el nivel electrónico externo, ya que no se pueden ubicar más de 2 electrones en el primer nivel electrónico. Resulta que el hidrógeno se puede colocar simultáneamente tanto en el primer como en el penúltimo (séptimo) grupo de la tabla periódica, lo que a veces se hace en varias versiones del sistema periódico:

Sin embargo, desde el punto de vista de las propiedades del hidrógeno como sustancia simple, tiene más en común con los halógenos. El hidrógeno, al igual que los halógenos, es un no metal y forma moléculas diatómicas (H 2 ) de manera similar a ellos.

En condiciones normales, el hidrógeno es una sustancia gaseosa e inactiva. La baja actividad del hidrógeno se explica por la alta fuerza del enlace entre los átomos de hidrógeno en la molécula, que requiere un fuerte calentamiento o el uso de catalizadores, o ambos al mismo tiempo, para romperlo.

Interacción del hidrógeno con sustancias simples.

con metales

¡De los metales, el hidrógeno reacciona solo con álcalis y alcalinotérreos! Los metales alcalinos son los metales del subgrupo principal I-ésimo grupo(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), y para alcalinotérreos - metales del subgrupo principal del grupo II, excepto berilio y magnesio (Ca, Sr, Ba, Ra)

Cuando interactúa con metales activos, el hidrógeno exhibe propiedades oxidantes, es decir, disminuye su estado de oxidación. En este caso, se forman hidruros de metales alcalinos y alcalinotérreos, que tienen una estructura iónica. La reacción procede cuando se calienta:

Cabe señalar que la interacción con metales activos es el único caso cuando el hidrógeno molecular H2 es un agente oxidante.

con no metales

¡De los no metales, el hidrógeno reacciona solo con carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, selenio y halógenos!

El carbono debe entenderse como grafito o carbono amorfo, ya que el diamante es una modificación alotrópica extremadamente inerte del carbono.

Al interactuar con los no metales, el hidrógeno solo puede realizar la función de un agente reductor, es decir, solo puede aumentar su estado de oxidación:

Interacción del hidrógeno con sustancias complejas

con óxidos metálicos

El hidrógeno no reacciona con los óxidos metálicos que están en la serie de actividad de los metales hasta el aluminio (inclusive), sin embargo, es capaz de reducir muchos óxidos metálicos a la derecha del aluminio cuando se calienta:

con óxidos no metálicos

De los óxidos no metálicos, el hidrógeno reacciona cuando se calienta con óxidos de nitrógeno, halógenos y carbono. De todas las interacciones del hidrógeno con los óxidos no metálicos, su reacción con monóxido de carbono CO.

La mezcla de CO y H 2 incluso tiene su propio nombre: "gas de síntesis", ya que, según las condiciones, se pueden obtener productos industriales tan demandados como metanol, formaldehído e incluso hidrocarburos sintéticos:

con ácidos

¡El hidrógeno no reacciona con los ácidos inorgánicos!

De Ácidos orgánicos el hidrógeno reacciona solo con ácidos insaturados, así como con ácidos que contienen grupos funcionales capaces de ser reducidos por hidrógeno, en particular grupos aldehído, ceto o nitro.

con sales

En el caso de soluciones acuosas de sales, no se produce su interacción con el hidrógeno. Sin embargo, cuando se hace pasar hidrógeno sobre sales sólidas de algunos metales de media y baja actividad, es posible su reducción parcial o total, por ejemplo:

Propiedades químicas de los halógenos.

Los halógenos se llaman elementos químicos grupos VIIA (F, Cl, Br, I, At), así como las sustancias simples que forman. En lo sucesivo, salvo que se indique lo contrario, se entenderá por halógenos sustancias simples.

Todos los halógenos tienen una estructura molecular, lo que conduce a puntos de fusión y ebullición bajos de estas sustancias. Las moléculas de halógeno son diatómicas, es decir, su fórmula se puede escribir en vista general como Hal 2.

Cabe señalar una propiedad física tan específica del yodo como su capacidad para sublimación o, en otras palabras, sublimación. sublimación, llaman al fenómeno en el que una sustancia en estado sólido no se derrite cuando se calienta, sino que, sin pasar por la fase líquida, pasa inmediatamente al estado gaseoso.

La estructura electrónica del nivel de energía externa de un átomo de cualquier halógeno tiene la forma ns 2 np 5, donde n es el número del período de la tabla periódica en el que se encuentra el halógeno. Como puede ver, solo falta un electrón en la capa exterior de ocho electrones de los átomos de halógeno. De esto es lógico suponer las propiedades predominantemente oxidantes de los halógenos libres, lo que también se confirma en la práctica. Como saben, la electronegatividad de los no metales disminuye al descender en el subgrupo y, por lo tanto, la actividad de los halógenos disminuye en la serie:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Interacción de halógenos con sustancias simples.

Todos los halógenos son altos sustancias activas y reaccionan con la mayoría de las sustancias simples. Sin embargo, cabe señalar que el flúor, debido a su altísima reactividad, puede reaccionar incluso con aquellas sustancias simples con las que otros halógenos no pueden reaccionar. Tales sustancias simples incluyen oxígeno, carbono (diamante), nitrógeno, platino, oro y algunos gases nobles (xenón y criptón). Aquellos. de hecho, el flúor no reacciona sólo con algunos gases nobles.

Los halógenos restantes, es decir, el cloro, el bromo y el yodo también son sustancias activas, pero menos activas que el flúor. Reaccionan con casi todas las sustancias simples excepto con oxígeno, nitrógeno, carbono en forma de diamante, platino, oro y gases nobles.

Interacción de halógenos con no metales.

hidrógeno

Todos los halógenos reaccionan con hidrógeno para formar haluros de hidrogeno Con formula general Hal. Al mismo tiempo, la reacción del flúor con el hidrógeno comienza espontáneamente incluso en la oscuridad y continúa con una explosión de acuerdo con la ecuación:

La reacción del cloro con el hidrógeno puede ser iniciada por intensa irradiación ultravioleta o calefacción. También fugas con una explosión:

El bromo y el yodo reaccionan con el hidrógeno solo cuando se calientan y, al mismo tiempo, la reacción con el yodo es reversible:

fósforo

La interacción del flúor con el fósforo conduce a la oxidación del fósforo al estado de oxidación más alto (+5). En este caso, se produce la formación de pentafluoruro de fósforo:

Cuando el cloro y el bromo interactúan con el fósforo, es posible obtener haluros de fósforo tanto en el estado de oxidación + 3 como en el estado de oxidación + 5, lo que depende de las proporciones de los reactivos:

En el caso del fósforo blanco en atmósfera de flúor, cloro o bromo líquido, la reacción se inicia espontáneamente.

La interacción del fósforo con el yodo puede conducir a la formación de solo triyoduro de fósforo debido a la capacidad oxidante significativamente menor que otros halógenos:

gris

El flúor oxida el azufre al estado de oxidación más alto +6, formando hexafluoruro de azufre:

El cloro y el bromo reaccionan con el azufre, formando compuestos que contienen azufre en estados de oxidación que son extremadamente inusuales para él +1 y +2. Estas interacciones son muy específicas, y por pasando el examen en química, la capacidad de escribir las ecuaciones de estas interacciones no es necesaria. Por lo tanto, las siguientes tres ecuaciones se dan más bien como guía:

Interacción de halógenos con metales.

Como se mencionó anteriormente, el flúor puede reaccionar con todos los metales, incluso con los inactivos como el platino y el oro:

Los halógenos restantes reaccionan con todos los metales excepto el platino y el oro:

Reacciones de halógenos con sustancias complejas.

Reacciones de sustitución con halógenos

Halógenos más activos, es decir, cuyos elementos químicos se encuentran más arriba en la tabla periódica, pueden desplazar a los halógenos menos activos de los ácidos hidrohálicos y los haluros metálicos que forman:

De manera similar, el bromo y el yodo desplazan el azufre de las soluciones de sulfuros o sulfuro de hidrógeno:

El cloro es un agente oxidante más fuerte y oxida el sulfuro de hidrógeno en su solución acuosa no a azufre, sino a ácido sulfúrico:

Interacción de los halógenos con el agua.

El agua arde en flúor con una llama azul de acuerdo con la ecuación de reacción:

El bromo y el cloro reaccionan de manera diferente con el agua que el flúor. Si el flúor actuaba como agente oxidante, entonces el cloro y el bromo se desproporcionaban en el agua, formando una mezcla de ácidos. En este caso, las reacciones son reversibles:

La interacción del yodo con el agua ocurre en un grado tan insignificante que puede despreciarse y considerarse que la reacción no ocurre en absoluto.

Interacción de halógenos con soluciones alcalinas.

flúor en interacción con solución acuosa el álcali actúa de nuevo como agente oxidante:

No se requiere la capacidad de escribir esta ecuación para aprobar el examen. Basta con conocer el hecho de la posibilidad de tal interacción y el papel oxidante del flúor en esta reacción.

A diferencia del flúor, los halógenos restantes se desproporcionan en soluciones alcalinas, es decir, aumentan y disminuyen simultáneamente su estado de oxidación. Al mismo tiempo, en el caso del cloro y el bromo, dependiendo de la temperatura, es posible el flujo en dos direcciones diferentes. En particular, en frío, las reacciones se desarrollan de la siguiente manera:

y cuando se calienta:

El yodo reacciona con los álcalis exclusivamente según la segunda opción, es decir con la formación de yodato, porque el hipoyodito es inestable no solo cuando se calienta, sino también a temperaturas normales e incluso en frío.