Το Υδρογόνο H είναι ένα χημικό στοιχείο, ένα από τα πιο κοινά στο Σύμπαν μας. Η μάζα του υδρογόνου ως στοιχείου στη σύνθεση των ουσιών είναι το 75% της συνολικής περιεκτικότητας σε άτομα άλλου τύπου. Περιλαμβάνεται στην πιο σημαντική και ζωτική σύνδεση στον πλανήτη - το νερό. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του υδρογόνου είναι επίσης ότι είναι το πρώτο στοιχείο στο περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων του D. I. Mendeleev.
Ανακάλυψη και εξερεύνηση
Οι πρώτες αναφορές στο υδρογόνο στα γραπτά του Παράκελσου χρονολογούνται από τον δέκατο έκτο αιώνα. Αλλά η απομόνωσή του από το μείγμα αερίων του αέρα και η μελέτη των καύσιμων ιδιοτήτων έγιναν ήδη τον δέκατο έβδομο αιώνα από τον επιστήμονα Lemery. Το υδρογόνο μελετήθηκε διεξοδικά από τον Άγγλο χημικό, φυσικό και φυσιοδίφη Henry Cavendish, ο οποίος απέδειξε πειραματικά ότι η μάζα του υδρογόνου είναι η μικρότερη σε σύγκριση με άλλα αέρια. Στα επόμενα στάδια της ανάπτυξης της επιστήμης, πολλοί επιστήμονες συνεργάστηκαν μαζί του, ιδιαίτερα ο Λαβουαζιέ, ο οποίος τον αποκάλεσε «γεννώντας το νερό».
Χαρακτηριστικό σύμφωνα με τη θέση στο PSHE
Στοιχείο που ανοίγειπεριοδικός πίνακας του D. I. Mendeleev, είναι υδρογόνο. Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του ατόμου παρουσιάζουν κάποια δυαδικότητα, αφού το υδρογόνο εκχωρείται ταυτόχρονα στην πρώτη ομάδα, την κύρια υποομάδα, εάν συμπεριφέρεται σαν μέταλλο και δίνει ένα μόνο ηλεκτρόνιο στη διαδικασία μιας χημικής αντίδρασης, και στην έβδομο - σε περίπτωση πλήρους πλήρωσης του κελύφους σθένους, δηλαδή αρνητικού σωματιδίου λήψης, που το χαρακτηρίζει παρόμοιο με τα αλογόνα.
Χαρακτηριστικά της ηλεκτρονικής δομής του στοιχείου
Οι ιδιότητες του ατόμου του υδρογόνου, των σύνθετων ουσιών στις οποίες αποτελεί μέρος και της απλούστερης ουσίας H2 καθορίζονται κυρίως από τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων του υδρογόνου. Το σωματίδιο έχει ένα ηλεκτρόνιο με Z=(-1), το οποίο περιστρέφεται στην τροχιά του γύρω από τον πυρήνα, περιέχοντας ένα πρωτόνιο με μονάδα μάζας και θετικό φορτίο (+1). Η ηλεκτρονική του διαμόρφωση είναι γραμμένη ως 1s1, που σημαίνει την παρουσία ενός αρνητικού σωματιδίου στο πρώτο και μοναδικό s-τροχιακό για το υδρογόνο.
Όταν ένα ηλεκτρόνιο αποσπάται ή χαρίζεται, και ένα άτομο αυτού του στοιχείου έχει τέτοια ιδιότητα ώστε να σχετίζεται με μέταλλα, προκύπτει ένα κατιόν. Στην πραγματικότητα, το ιόν υδρογόνου είναι ένα θετικό στοιχειώδες σωματίδιο. Επομένως, ένα υδρογόνο χωρίς ηλεκτρόνιο ονομάζεται απλώς πρωτόνιο.
Φυσικές ιδιότητες
Αν περιγράψουμε εν συντομία τις φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου, τότε είναι ένα άχρωμο, ελαφρώς διαλυτό αέριο με σχετική ατομική μάζα ίση με 2, 14,5 φορές ελαφρύτερη από τον αέρα, με θερμοκρασίαρευστοποίηση -252,8 βαθμών Κελσίου.
Μπορείτε εύκολα να δείτε από την εμπειρία ότι το H2 είναι το πιο εύκολο. Για να γίνει αυτό, αρκεί να γεμίσετε τρεις μπάλες με διάφορες ουσίες - υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα, συνηθισμένο αέρα - και ταυτόχρονα να τις απελευθερώσετε από το χέρι σας. Αυτό που είναι γεμάτο με CO2 θα φτάσει στο έδαφος γρηγορότερα από οποιονδήποτε άλλο, μετά από αυτό το φουσκωμένο μείγμα αέρα θα κατέβει και αυτό που περιέχει H2 θα ανέβει στο ταβάνι.
Η μικρή μάζα και το μέγεθος των σωματιδίων υδρογόνου δικαιολογούν την ικανότητά του να διεισδύει μέσω διαφόρων ουσιών. Στο παράδειγμα της ίδιας μπάλας, αυτό είναι εύκολο να επαληθευτεί, σε λίγες μέρες θα ξεφουσκώσει μόνο του, καθώς το αέριο απλά θα περάσει μέσα από το καουτσούκ. Επίσης, το υδρογόνο μπορεί να συσσωρευτεί στη δομή ορισμένων μετάλλων (παλλάδιο ή πλατίνα) και να εξατμιστεί από αυτό όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.
Η ιδιότητα χαμηλής διαλυτότητας του υδρογόνου χρησιμοποιείται στην εργαστηριακή πρακτική για την απομόνωσή του με τη μέθοδο της μετατόπισης του νερού. Οι φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου (ο παρακάτω πίνακας περιέχει τις κύριες παραμέτρους) καθορίζουν το πεδίο εφαρμογής και τις μεθόδους παραγωγής του.
| Παράμετρος ατόμου ή μορίου απλής ουσίας | Σημασία |
| Ατομική μάζα (μοριακή μάζα) | 1,008 g/mol |
| Ηλεκτρονική διαμόρφωση | 1s1 |
| Κρυσταλλικό πλέγμα | Εξάγωνο |
| Θερμική αγωγιμότητα | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Πυκνότητα στο n. ε. | 0, 08987 g/l |
| Σημείο βρασμού | -252, 76 °C |
| Ειδική θερμογόνος δύναμη | 120, 9 106 J/kg |
| Σημείο τήξης | -259, 2 °C |
| υδατοδιαλυτότητα | 18, 8ml/L |
Ισοτοπική σύνθεση
Όπως πολλοί άλλοι εκπρόσωποι του περιοδικού συστήματος των χημικών στοιχείων, το υδρογόνο έχει πολλά φυσικά ισότοπα, δηλαδή άτομα με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων - σωματίδια με μηδενικό φορτίο και μονάδα μάζα. Παραδείγματα ατόμων που έχουν αυτήν την ιδιότητα είναι το οξυγόνο, ο άνθρακας, το χλώριο, το βρώμιο και άλλα, συμπεριλαμβανομένων των ραδιενεργών.
Οι φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου 1H, του πιο συνηθισμένου από τους εκπροσώπους αυτής της ομάδας, διαφέρουν σημαντικά από τα ίδια χαρακτηριστικά των ομολόγων του. Ειδικότερα, τα χαρακτηριστικά των ουσιών στις οποίες περιλαμβάνονται διαφέρουν. Άρα, υπάρχει συνηθισμένο και δευτεριωμένο νερό, που περιέχει στη σύνθεσή του αντί για άτομο υδρογόνου με ένα μόνο πρωτόνιο, δευτερίου 2H - το ισότοπό του με δύο στοιχειώδη σωματίδια: θετικό και αφόρτιστο. Αυτό το ισότοπο είναι δύο φορές πιο βαρύ από το συνηθισμένο υδρογόνο, γεγονός που εξηγεί τη θεμελιώδη διαφορά στις ιδιότητες των ενώσεων που αποτελούν. Στη φύση, το δευτέριο είναι 3200 φορές πιο σπάνιο από το υδρογόνο. Ο τρίτος εκπρόσωπος είναι το τρίτιο 3Н, στον πυρήνα έχει δύο νετρόνια και ένα πρωτόνιο.
Μέθοδοι απόκτησης και επιλογής
Οι εργαστηριακές και οι βιομηχανικές μέθοδοι για την παραγωγή υδρογόνου είναι πολύ διαφορετικές. Ναι, σε μικρές ποσότητεςαέριο παράγεται κυρίως μέσω αντιδράσεων που περιλαμβάνουν ορυκτά, ενώ η μεγάλης κλίμακας παραγωγή χρησιμοποιεί οργανική σύνθεση σε μεγαλύτερο βαθμό.
Οι ακόλουθες χημικές αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιούνται στο εργαστήριο:
- Η αντίδραση των μετάλλων αλκαλίων και μετάλλων αλκαλικών γαιών με νερό για να σχηματιστεί αλκάλιο και το επιθυμητό αέριο.
- Ηλεκτρόλυση ενός υδατικού διαλύματος ηλεκτρολύτη, H2↑ απελευθερώνεται στην άνοδο και οξυγόνο απελευθερώνεται στην κάθοδο.
- Αποσύνθεση υδριδίων αλκαλιμετάλλων με νερό, τα προϊόντα είναι αλκάλια και, κατά συνέπεια, αέριο Η2↑.
- Αντίδραση αραιωμένων οξέων με μέταλλα για σχηματισμό αλάτων και H2↑.
- Η δράση των αλκαλίων στο πυρίτιο, το αλουμίνιο και τον ψευδάργυρο προάγει επίσης την απελευθέρωση υδρογόνου παράλληλα με το σχηματισμό σύνθετων αλάτων.
Για βιομηχανικά συμφέροντα, το αέριο λαμβάνεται με μεθόδους όπως:
- Θερμική αποσύνθεση του μεθανίου παρουσία καταλύτη προς τις συστατικές του απλές ουσίες (350 μοίρες φθάνουν την τιμή ενός τέτοιου δείκτη όπως η θερμοκρασία) - υδρογόνο H2↑ και άνθρακας Γ.
- Πέρασμα ατμού νερού μέσω του κωκ στους 1000 βαθμούς Κελσίου για να σχηματιστεί διοξείδιο του άνθρακα CO2 και H2↑ (η πιο κοινή μέθοδος)
- Μετατροπή αερίου μεθανίου σε καταλύτη νικελίου σε θερμοκρασίες που φτάνουν τους 800 βαθμούς.
- Το υδρογόνο είναι ένα υποπροϊόν της ηλεκτρόλυσης υδατικών διαλυμάτων χλωριούχου καλίου ή νατρίου.
Χημικόαλληλεπιδράσεις: γενικότητες
Οι φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου εξηγούν σε μεγάλο βαθμό τη συμπεριφορά του σε διαδικασίες αντίδρασης με τη μία ή την άλλη ένωση. Το σθένος του υδρογόνου είναι 1, αφού βρίσκεται στην πρώτη ομάδα του περιοδικού πίνακα και ο βαθμός οξείδωσης δείχνει διαφορετικό. Σε όλες τις ενώσεις, εκτός από τα υδρίδια, το υδρογόνο σε s.o.=(1+), σε μόρια όπως ΧΝ, ΧΝ2, ΧΝ3 - (1 -).
Ένα μόριο αερίου υδρογόνου, που σχηματίζεται με τη δημιουργία ενός γενικευμένου ζεύγους ηλεκτρονίων, αποτελείται από δύο άτομα και είναι αρκετά σταθερό ενεργειακά, γι' αυτό υπό κανονικές συνθήκες είναι κάπως αδρανές και εισέρχεται σε αντιδράσεις όταν αλλάζουν οι κανονικές συνθήκες. Ανάλογα με τον βαθμό οξείδωσης του υδρογόνου στη σύνθεση άλλων ουσιών, μπορεί να δράσει τόσο ως οξειδωτικό όσο και ως αναγωγικό παράγοντα.
Ουσίες με τις οποίες αντιδρά και σχηματίζει υδρογόνο
Στοιχειακές αλληλεπιδράσεις για σχηματισμό σύνθετων ουσιών (συχνά σε υψηλές θερμοκρασίες):
- Μέταλλο αλκαλικών και αλκαλικών γαιών + υδρογόνο=υδρίδιο.
- Αλογόνο + H2=υδραλογόνο.
- Θείο + υδρογόνο=υδρόθειο.
- Οξυγόνο + H2=νερό.
- Άνθρακας + υδρογόνο=μεθάνιο.
- Άζωτο + H2=αμμωνία.
Αλληλεπίδραση με σύνθετες ουσίες:
- Παραγωγή αερίου σύνθεσης από μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο.
- Ανάκτηση μετάλλων από τα οξείδια τους με χρήση H2.
- Κορεσμός υδρογόνου ακόρεστων αλειφατικώνυδρογονάνθρακες.
δεσμός υδρογόνου
Οι φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου είναι τέτοιες που του επιτρέπουν, σε συνδυασμό με ένα ηλεκτραρνητικό στοιχείο, να σχηματίσει έναν ειδικό τύπο δεσμού με το ίδιο άτομο από γειτονικά μόρια που έχουν μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων (για παράδειγμα, οξυγόνο, άζωτο και φθόριο). Το πιο ξεκάθαρο παράδειγμα στο οποίο είναι καλύτερο να εξετάσουμε ένα τέτοιο φαινόμενο είναι το νερό. Μπορεί να ειπωθεί ότι είναι ραμμένο με δεσμούς υδρογόνου, οι οποίοι είναι πιο αδύναμοι από τους ομοιοπολικούς ή ιοντικούς, αλλά λόγω του γεγονότος ότι υπάρχουν πολλοί από αυτούς, έχουν σημαντική επίδραση στις ιδιότητες της ουσίας. Ουσιαστικά, ο δεσμός υδρογόνου είναι μια ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση που δεσμεύει τα μόρια του νερού σε διμερή και πολυμερή, οδηγώντας στο υψηλό σημείο βρασμού του.
Υδρογόνο σε μεταλλικές ενώσεις
Η σύνθεση όλων των ανόργανων οξέων περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο - ένα κατιόν ενός ατόμου όπως το υδρογόνο. Μια ουσία της οποίας το υπόλειμμα οξέος έχει κατάσταση οξείδωσης μεγαλύτερη από (-1) ονομάζεται πολυβασική ένωση. Περιέχει πολλά άτομα υδρογόνου, γεγονός που κάνει τη διάσταση σε υδατικά διαλύματα πολλαπλών σταδίων. Κάθε επόμενο πρωτόνιο διασπάται από το υπόλοιπο οξύ όλο και πιο δύσκολα. Από την ποσοτική περιεκτικότητα του μέσου σε υδρογόνα προσδιορίζεται η οξύτητά του.
Το υδρογόνο περιέχει επίσης υδροξυλομάδες βάσεων. Σε αυτά, το υδρογόνο συνδέεται με ένα άτομο οξυγόνου, ως αποτέλεσμα, η κατάσταση οξείδωσης αυτού του υπολείμματος αλκαλίου είναι πάντα ίση με (-1). Η περιεκτικότητα του μέσου σε υδροξύλια καθορίζει τη βασικότητά του.
Εφαρμογή στις ανθρώπινες δραστηριότητες
Οι κύλινδροι με μια ουσία, καθώς και τα δοχεία με άλλα υγροποιημένα αέρια, όπως το οξυγόνο, έχουν συγκεκριμένη εμφάνιση. Είναι βαμμένα σκούρα πράσινα με έντονο κόκκινο γράμμα «Hydrogen». Το αέριο αντλείται σε έναν κύλινδρο υπό πίεση περίπου 150 ατμοσφαιρών. Οι φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου, ιδιαίτερα η ελαφρότητα της αέριας κατάστασης συσσωμάτωσης, χρησιμοποιούνται για την πλήρωσή του σε μείγμα με μπαλόνια ηλίου, μπαλόνια κ.λπ.
Το υδρογόνο, οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του οποίου οι άνθρωποι έμαθαν να χρησιμοποιούν πριν από πολλά χρόνια, χρησιμοποιείται σήμερα σε πολλές βιομηχανίες. Το μεγαλύτερο μέρος πηγαίνει στην παραγωγή αμμωνίας. Το υδρογόνο εμπλέκεται επίσης στην παραγωγή μετάλλων (άφνιο, γερμάνιο, γάλλιο, πυρίτιο, μολυβδαίνιο, βολφράμιο, ζιρκόνιο και άλλα) από οξείδια, ενεργώντας στην αντίδραση ως αναγωγικός παράγοντας, υδροκυανικά και υδροχλωρικά οξέα, μεθυλική αλκοόλη και τεχνητό υγρό καύσιμα. Η βιομηχανία τροφίμων το χρησιμοποιεί για να μετατρέψει τα φυτικά έλαια σε στερεά λίπη.
Προσδιόρισε τις χημικές ιδιότητες και τη χρήση του υδρογόνου σε διάφορες διαδικασίες υδρογόνωσης και υδρογόνωσης λιπών, άνθρακα, υδρογονανθράκων, ελαίων και μαζούτ. Με τη βοήθειά του παράγονται πολύτιμοι λίθοι, λαμπτήρες πυρακτώσεως, σφυρηλατούνται και συγκολλούνται μεταλλικά προϊόντα υπό την επίδραση φλόγας οξυγόνου-υδρογόνου.
