Idrogeno Proprietà chimico-fisiche dell'idrogeno. Che tipo di sostanza è l'idrogeno? Proprietà chimiche e fisiche dell'idrogeno

L'idrogeno (carta da lucido dal latino: lat. Hydrogenium - idro = "acqua", gen = "generatore"; idrogeno - "generatore di acqua"; indicato con il simbolo H) è il primo elemento della tavola periodica degli elementi. Ampiamente distribuito in natura. Il catione (e nucleo) dell'isotopo più comune dell'idrogeno, 1 H, è il protone. Le proprietà del nucleo 1 H rendono possibile un ampio utilizzo della spettroscopia NMR nell'analisi di sostanze organiche.

Tre isotopi dell'idrogeno hanno i loro nomi: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D) e 3 H - trizio (radioattivo) (T).

La sostanza semplice idrogeno - H 2 - è un gas leggero e incolore. Se miscelato con aria o ossigeno, è infiammabile ed esplosivo. Non tossico. Solubile in etanolo e numerosi metalli: ferro, nichel, palladio, platino.

Storia

Il rilascio di gas infiammabile durante l'interazione di acidi e metalli fu osservato nei secoli XVI e XVII, all'alba della formazione della chimica come scienza. Anche Mikhail Vasilyevich Lomonosov ne ha sottolineato direttamente l'isolamento, ma era già sicuramente consapevole che non si trattava di flogisto. Il fisico e chimico inglese Henry Cavendish esaminò questo gas nel 1766 e lo chiamò “aria combustibile”. Quando bruciava, “l’aria combustibile” produceva acqua, ma l’adesione di Cavendish alla teoria del flogisto gli impedì di trarre le conclusioni corrette. Il chimico francese Antoine Lavoisier, insieme all'ingegnere J. Meunier, utilizzando speciali gasometri, nel 1783 effettuò la sintesi dell'acqua, e quindi la sua analisi, decomponendo il vapore acqueo con ferro caldo. Pertanto, ha stabilito che "l'aria combustibile" fa parte dell'acqua e può essere ottenuta da essa.

origine del nome

Lavoisier diede all'idrogeno il nome idrogène (dal greco antico ὕδωρ - acqua e γεννάω - partorisco) - "dare vita all'acqua". Il nome russo "idrogeno" fu proposto dal chimico M. F. Solovyov nel 1824 - per analogia con "ossigeno" di M. V. Lomonosov.

Prevalenza

Nell'universo
L’idrogeno è l’elemento più comune nell’Universo. Rappresenta circa il 92% di tutti gli atomi (l'8% sono atomi di elio, la quota di tutti gli altri elementi combinati è inferiore allo 0,1%). Pertanto, l'idrogeno è il componente principale delle stelle e del gas interstellare. In condizioni di temperature stellari (ad esempio, la temperatura superficiale del Sole è di ~ 6000 °C), l'idrogeno esiste sotto forma di plasma; nello spazio interstellare questo elemento esiste sotto forma di singole molecole, atomi e ioni e può formarsi nubi molecolari che variano significativamente in dimensioni, densità e temperatura.

La crosta terrestre e gli organismi viventi
La frazione di massa dell'idrogeno nella crosta terrestre è dell'1%: è il decimo elemento più abbondante. Tuttavia, il suo ruolo in natura non è determinato dalla massa, ma dal numero di atomi, la cui quota tra gli altri elementi è del 17% (il secondo posto dopo l'ossigeno, la cui quota di atomi è ~ 52%). Pertanto, l’importanza dell’idrogeno nei processi chimici che avvengono sulla Terra è quasi pari a quella dell’ossigeno. A differenza dell’ossigeno, che esiste sulla Terra sia nello stato legato che libero, quasi tutto l’idrogeno sulla Terra è sotto forma di composti; Nell'atmosfera è contenuta solo una piccolissima quantità di idrogeno sotto forma di sostanza semplice (0,00005% in volume).
L'idrogeno fa parte di quasi tutte le sostanze organiche ed è presente in tutte le cellule viventi. Nelle cellule viventi, l'idrogeno rappresenta quasi il 50% del numero di atomi.

Ricevuta

I metodi industriali per produrre sostanze semplici dipendono dalla forma in cui si trova in natura l'elemento corrispondente, cioè da quale può essere la materia prima per la sua produzione. Pertanto, l'ossigeno, disponibile allo stato libero, si ottiene fisicamente, mediante separazione dall'aria liquida. Quasi tutto l'idrogeno è sotto forma di composti, quindi per ottenerlo vengono utilizzati metodi chimici. In particolare si possono utilizzare reazioni di decomposizione. Un modo per produrre idrogeno è attraverso la decomposizione dell’acqua mediante corrente elettrica.
Il principale metodo industriale per produrre idrogeno è la reazione del metano, che fa parte del gas naturale, con l'acqua. Viene effettuato ad alta temperatura:
CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 −165 kJ

Uno dei metodi di laboratorio per produrre idrogeno, talvolta utilizzato nell'industria, è la decomposizione dell'acqua mediante corrente elettrica. Tipicamente, l'idrogeno viene prodotto in laboratorio facendo reagire lo zinco con acido cloridrico.

I metodi industriali per produrre sostanze semplici dipendono dalla forma in cui si trova in natura l'elemento corrispondente, cioè da quale può essere la materia prima per la sua produzione. Pertanto, l'ossigeno, disponibile allo stato libero, si ottiene fisicamente, mediante separazione dall'aria liquida. Quasi tutto l'idrogeno è sotto forma di composti, quindi per ottenerlo vengono utilizzati metodi chimici. In particolare si possono utilizzare reazioni di decomposizione. Un modo per produrre idrogeno è attraverso la decomposizione dell’acqua mediante corrente elettrica.

Il principale metodo industriale per produrre idrogeno è la reazione del metano, che fa parte del gas naturale, con l'acqua. Si effettua ad alta temperatura (è facile verificare che passando il metano anche attraverso acqua bollente non avviene alcuna reazione):

CH4 + 2H2 0 = CO2 + 4H2 - 165 kJ

In laboratorio, per ottenere sostanze semplici, non si utilizzano necessariamente materie prime naturali, ma si scelgono quelle materie prime da cui è più facile isolare la sostanza richiesta. Ad esempio, in laboratorio l'ossigeno non si ottiene dall'aria. Lo stesso vale per la produzione di idrogeno. Uno dei metodi di laboratorio per produrre idrogeno, talvolta utilizzato nell'industria, è la decomposizione dell'acqua mediante corrente elettrica.

Tipicamente, l'idrogeno viene prodotto in laboratorio facendo reagire lo zinco con acido cloridrico.

Nell'industria

1.Elettrolisi di soluzioni saline acquose:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Passaggio del vapore acqueo sulla coca cola calda a temperature intorno ai 1000°C:

H2O+C⇄ H2+CO

3.Dal gas naturale.

Conversione di vapore: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Ossidazione catalitica con ossigeno: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Cracking e reforming degli idrocarburi durante la raffinazione del petrolio.

Nel laboratorio

1.L'effetto degli acidi diluiti sui metalli. Per eseguire questa reazione, vengono spesso utilizzati zinco e acido cloridrico:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Interazione del calcio con l'acqua:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Idrolisi degli idruri:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.Effetto degli alcali su zinco o alluminio:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.Utilizzando l'elettrolisi. Durante l'elettrolisi di soluzioni acquose di alcali o acidi, al catodo viene rilasciato idrogeno, ad esempio:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• Bioreattore per la produzione di idrogeno

Proprietà fisiche

Il gas idrogeno può esistere in due forme (modifiche) - sotto forma di orto - e para-idrogeno.

In una molecola di ortoidrogeno (mp. −259,10 °C, bp −252,56 °C) gli spin nucleari sono diretti in modo identico (parallelo), e nel paraidrogeno (mp. −259,32 °C, bp. . bollire. −252,89 °C) - opposti tra loro (antiparalleli).

Le forme allotropiche dell'idrogeno possono essere separate mediante adsorbimento su carbone attivo alla temperatura dell'azoto liquido. A temperature molto basse l’equilibrio tra ortoidrogeno e paraidrogeno è quasi completamente spostato verso quest’ultimo. A 80 K il rapporto tra le forme è di circa 1:1. Quando riscaldato, il paraidrogeno desorbito viene convertito in ortoidrogeno fino a formare una miscela che è in equilibrio a temperatura ambiente (orto-para: 75:25). Senza catalizzatore, la trasformazione avviene lentamente, il che rende possibile studiare le proprietà delle singole forme allotropiche. La molecola di idrogeno è biatomica - H₂. In condizioni normali è un gas incolore, inodore e insapore. L'idrogeno è il gas più leggero, la sua densità è molte volte inferiore alla densità dell'aria. Ovviamente quanto più piccola è la massa delle molecole tanto maggiore sarà la loro velocità a parità di temperatura. Essendo le molecole più leggere, le molecole di idrogeno si muovono più velocemente delle molecole di qualsiasi altro gas e quindi possono trasferire il calore più velocemente da un corpo all'altro. Ne consegue che l'idrogeno ha la più alta conduttività termica tra le sostanze gassose. La sua conduttività termica è circa sette volte superiore alla conduttività termica dell'aria.

Proprietà chimiche

Le molecole di idrogeno H₂ sono piuttosto forti e affinché l'idrogeno reagisca è necessario spendere molta energia: H 2 = 2H - 432 kJ Pertanto, a temperature normali, l'idrogeno reagisce solo con metalli molto attivi, ad esempio calcio, formando calcio idruro: Ca + H 2 = CaH 2 e con l'unico non metallico - fluoro, formando acido fluoridrico: F 2 + H 2 = 2HF Con la maggior parte dei metalli e non metalli, l'idrogeno reagisce a temperature elevate o sotto altri influssi, ad esempio , illuminazione. Può “togliere” ossigeno ad alcuni ossidi, ad esempio: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 L'equazione scritta riflette la reazione di riduzione. Le reazioni di riduzione sono processi in cui l'ossigeno viene rimosso da un composto; Le sostanze che tolgono ossigeno sono chiamate agenti riducenti (essi stessi si ossidano). Successivamente verrà data un'altra definizione dei concetti “ossidazione” e “riduzione”. E questa definizione, storicamente la prima, conserva ancora oggi il suo significato, soprattutto in chimica organica. La reazione di riduzione è l'opposto della reazione di ossidazione. Entrambe queste reazioni avvengono sempre contemporaneamente come un unico processo: quando una sostanza viene ossidata (ridotta), la riduzione (ossidazione) di un'altra avviene necessariamente contemporaneamente.

N2+3H2 → 2NH3

Forme con alogeni alogenuri di idrogeno:

F 2 + H 2 → 2 HF, la reazione avviene in modo esplosivo al buio e a qualsiasi temperatura, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, la reazione avviene in modo esplosivo, solo alla luce.

Interagisce con la fuliggine a fuoco elevato:

C + 2H 2 → CH 4

Interazione con metalli alcalini e alcalino terrosi

L'idrogeno si forma con metalli attivi idruri:

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

Idruri- sostanze solide, simili al sale, facilmente idrolizzate:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Interazione con ossidi metallici (solitamente elementi D)

Gli ossidi sono ridotti a metalli:

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

Idrogenazione dei composti organici

Quando l'idrogeno agisce su idrocarburi insaturi in presenza di un catalizzatore di nichel e a temperature elevate, avviene una reazione idrogenazione:

Canale 2 = Canale 2 + H 2 → Canale 3 - Canale 3

L'idrogeno riduce le aldeidi ad alcoli:

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

Geochimica dell'idrogeno

L’idrogeno è il principale materiale da costruzione dell’universo. È l'elemento più comune e tutti gli elementi si formano da esso come risultato di reazioni termonucleari e nucleari.

L'idrogeno libero H2 è relativamente raro nei gas terrestri, ma sotto forma di acqua svolge un ruolo estremamente importante nei processi geochimici.

L'idrogeno può essere presente nei minerali sotto forma di ione ammonio, ione idrossile e acqua cristallina.

Nell'atmosfera l'idrogeno viene continuamente prodotto a seguito della decomposizione dell'acqua ad opera della radiazione solare. Migra nell'atmosfera superiore e fugge nello spazio.

Applicazione

• Energia dell'idrogeno

L'idrogeno atomico viene utilizzato per la saldatura con idrogeno atomico.

Nell’industria alimentare l’idrogeno è registrato come additivo alimentare E949, come il gas di imballaggio.

Caratteristiche del trattamento

L'idrogeno, quando miscelato con l'aria, forma una miscela esplosiva, il cosiddetto gas detonante. Questo gas è più esplosivo quando il rapporto volumetrico tra idrogeno e ossigeno è 2:1, o idrogeno e aria è circa 2:5, poiché l'aria contiene circa il 21% di ossigeno. Anche l’idrogeno rappresenta un pericolo di incendio. L'idrogeno liquido può causare gravi congelamenti se entra in contatto con la pelle.

Concentrazioni esplosive di idrogeno e ossigeno si verificano dal 4% al 96% in volume. In miscela con aria dal 4% al 75(74)% in volume.

Utilizzo dell'idrogeno

Nell'industria chimica, l'idrogeno viene utilizzato nella produzione di ammoniaca, sapone e plastica. Nell'industria alimentare, la margarina è prodotta da oli vegetali liquidi utilizzando idrogeno. L'idrogeno è molto leggero e sale sempre nell'aria. Un tempo i dirigibili e i palloncini erano riempiti di idrogeno. Ma negli anni '30. XX secolo Si verificarono diversi terribili disastri quando i dirigibili esplosero e bruciarono. Al giorno d'oggi, i dirigibili sono pieni di gas elio. L'idrogeno viene utilizzato anche come carburante per missili. Un giorno, l’idrogeno potrebbe essere ampiamente utilizzato come carburante per automobili e camion. I motori a idrogeno non inquinano l’ambiente ed emettono solo vapore acqueo (sebbene la produzione stessa di idrogeno porti ad un certo inquinamento ambientale). Il nostro Sole è composto principalmente da idrogeno. Il calore e la luce solare sono il risultato del rilascio di energia nucleare dalla fusione dei nuclei di idrogeno.

Utilizzo dell’idrogeno come combustibile (economico)

La caratteristica più importante delle sostanze utilizzate come combustibili è il loro calore di combustione. Dal corso di chimica generale è noto che la reazione tra idrogeno e ossigeno avviene con rilascio di calore. Se prendiamo 1 mol di H 2 (2 g) e 0,5 mol di O 2 (16 g) in condizioni standard ed eccitiamo la reazione, quindi secondo l'equazione

H2 + 0,5 O2 = H2O

al termine della reazione si forma 1 mole di H 2 O (18 g) con rilascio di energia 285,8 kJ/mol (per confronto: il calore di combustione dell'acetilene è 1300 kJ/mol, del propano - 2200 kJ/mol) . 1 m³ di idrogeno pesa 89,8 g (44,9 mol). Pertanto, per produrre 1 m³ di idrogeno verranno consumati 12832,4 kJ di energia. Tenendo conto del fatto che 1 kWh = 3600 kJ, otteniamo 3,56 kWh di elettricità. Conoscendo la tariffa per 1 kWh di elettricità e il costo di 1 m³ di gas, possiamo concludere che è consigliabile passare all'idrogeno.

Ad esempio, il modello sperimentale Honda FCX di terza generazione con un serbatoio di idrogeno da 156 litri (contiene 3,12 kg di idrogeno ad una pressione di 25 MPa) percorre 355 km. Pertanto da 3,12 kg di H2 si ottengono 123,8 kWh. Per 100 km, il consumo di energia sarà di 36,97 kWh. Conoscendo il costo dell’elettricità, del gas o della benzina e il loro consumo per un’auto ogni 100 km, è facile calcolare l’effetto economico negativo del passaggio all’idrogeno delle auto. Diciamo (Russia 2008), 10 centesimi per kWh di elettricità portano al fatto che 1 m³ di idrogeno porta ad un prezzo di 35,6 centesimi, e tenendo conto dell'efficienza di decomposizione dell'acqua di 40-45 centesimi, la stessa quantità di kWh dalla combustione della benzina costa 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 centesimi/l=34 centesimi ai prezzi al dettaglio, mentre per l'idrogeno abbiamo calcolato l'opzione ideale, senza tenere conto del trasporto, dell'ammortamento delle attrezzature, ecc. Per il metano con energia di combustione di circa 39 MJ per m³, il risultato sarà da due a quattro volte inferiore a causa della differenza di prezzo (1 m³ per l'Ucraina costa 179 dollari, per l'Europa 350 dollari). Cioè una quantità equivalente di metano costerà 10-20 centesimi.

Tuttavia, non dobbiamo dimenticare che quando bruciamo l’idrogeno, otteniamo l’acqua pulita da cui è stato estratto. Cioè, abbiamo una rinnovabile accumulatore energia senza danni all’ambiente, a differenza del gas o della benzina, che sono fonti primarie di energia.

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L'idrogeno è una sostanza inorganica, il primo e più leggero elemento della tavola periodica. È designato dalla lettera H (Hydrogenium), tradotta dal greco come "dare vita all'acqua".

In natura esistono tre atomi di idrogeno stabili:
. protium: la versione standard di un atomo, costituita da un protone e un elettrone;
. deuterio - costituito da un protone, un neutrone e un elettrone;
. il trizio ha un protone e due neutroni nel nucleo.

C’è parecchio idrogeno sulla Terra. In base al numero di atomi, è circa il 17%. C'è solo più ossigeno: circa il 52%. E questo è solo nella crosta terrestre e nell’atmosfera: gli scienziati non sanno quanto si trovi nel mantello e nel nucleo del pianeta. Sulla Terra l’idrogeno si trova prevalentemente allo stato legato. Fa parte dell'acqua, di tutte le cellule viventi, del gas naturale, del petrolio, del carbone e di alcune rocce e minerali. Allo stato libero si trova nei gas vulcanici e nei prodotti della decomposizione organica.

Proprietà

Il gas più leggero. Non ha colore, sapore o odore. È scarsamente solubile in acqua, bene - in etanolo, in molti metalli, ad esempio ferro, titanio, palladio - 850 volumi di H2 possono dissolversi in un volume di palladio. Non si dissolve nell'argento. Conduce il calore meglio di tutti i gas. Quando fortemente raffreddato, si trasforma in un liquido molto mobile, fluido, incolore, e poi in una sostanza solida, simile alla neve. È interessante notare che l'elemento mantiene il suo stato liquido in un intervallo di temperature molto ristretto: da -252,76 a -259,2 °C. Si presume che l'idrogeno solido a pressioni gigantesche di centinaia di migliaia di atmosfere acquisisca proprietà metalliche. Ad alte temperature, la sostanza penetra attraverso i pori più piccoli di metalli e leghe.

L’idrogeno è un importante elemento biogenico. Forma acqua, presente in tutti i tessuti viventi, aminoacidi e acidi nucleici, proteine, lipidi, grassi, carboidrati.

Dal punto di vista della chimica, l'idrogeno ha una caratteristica unica: viene immediatamente classificato in due gruppi della tavola periodica: metalli alcalini e alogeni. Essendo un metallo alcalino, presenta forti proprietà riducenti. Reagisce con il fluoro in condizioni normali, con il cloro - sotto l'influenza della luce, con altri non metalli - solo se riscaldato o in presenza di catalizzatori. Reagisce con ossigeno, azoto, zolfo, carbonio, alogeni, monossido di carbonio, ecc. Forma composti importanti come ammoniaca, idrogeno solforato, idrocarburi, alcoli, acido fluoridrico (acido fluoridrico) e acido cloridrico (acido cloridrico). Quando interagisce con ossidi e alogenuri metallici, li riduce a metalli; questa proprietà è utilizzata in metallurgia.

Come alogeno, l'H2 mostra proprietà ossidanti quando interagisce con i metalli.

L'Universo contiene l'88,6% di idrogeno. Per la maggior parte è contenuto nelle stelle e nel gas interstellare.

A causa della loro leggerezza, le molecole della materia si muovono a velocità enormi, paragonabili alla seconda velocità cosmica. Per questo motivo, la sua conduttività termica supera di 7,3 volte la conduttività termica dell'aria. Dalle parti superiori dell'atmosfera, le molecole di H2 volano facilmente nello spazio. Pertanto, il nostro pianeta perde 3 kg di idrogeno al secondo.

Misure di sicurezza

L'idrogeno non è tossico, ma è fuoco ed esplosivo. Una miscela con aria (gas esplosivo) esplode facilmente alla minima scintilla. L'idrogeno stesso brucia. Questo dovrebbe essere preso in considerazione quando lo si ottiene per esigenze di laboratorio o quando si conducono esperimenti durante i quali viene rilasciato idrogeno.

Versare idrogeno liquido sulla pelle può causare gravi congelamenti.

Applicazione

Nell'industria chimica, l'H2 viene utilizzato per produrre ammoniaca, alcoli, acido cloridrico, sapone, polimeri, combustibile artificiale e molte sostanze organiche.
. Nell'industria della raffinazione del petrolio - per la produzione di vari derivati ​​dal petrolio e dai residui di petrolio (carburante diesel, oli lubrificanti, benzina, gas liquefatti, ecc.); per la purificazione di prodotti petroliferi, oli lubrificanti.
. Nell'industria alimentare: nella produzione di margarine dure mediante idrogenazione da oli vegetali; utilizzato come gas per il confezionamento di alcuni prodotti (additivo E949).
. Nella metallurgia nei processi di produzione di metalli e leghe. Per taglio e saldatura con idrogeno atomico (la temperatura della fiamma raggiunge +4000 °C) e ossigeno-idrogeno (fino a +2800 °C) di acciai e leghe resistenti al calore.
. In meteorologia, palloncini e palloncini sono pieni della sostanza.
. Come il carburante per i razzi.
. Come refrigerante per grandi generatori elettrici.
. Nell'industria del vetro per la fusione del vetro di quarzo in una fiamma ad alta temperatura.
. Nella gascromatografia; per riempire le camere a bolle (H2 liquido).
. Come refrigerante nelle pompe per vuoto criogeniche.
. Il deuterio e il trizio sono utilizzati nell'energia nucleare e nelle applicazioni militari.

Cronologia della scoperta:

Sin dal XV secolo, molti ricercatori hanno notato il rilascio di gas infiammabile quando gli acidi interagiscono con i metalli. La prima descrizione dettagliata dell'idrogeno, sotto i nomi di "aria combustibile" e "aria deflogisticata", fu data dal chimico inglese Henry Cavendish nel 1766. Nel 1783, Antoine Lavoisier dimostrò che l'idrogeno fa parte dell'acqua e lo incluse nella sua tabella degli elementi chimici chiamata idrogeno (che dà origine all'acqua). Il nome russo "idrogeno" fu proposto dal chimico M.F. Soloviev nel 1824 - per analogia con "ossigeno" M.V. Lomonosov.

Trovare in natura e ottenere:

L’idrogeno rappresenta circa il 92% di tutti gli atomi nell’Universo. È il componente principale della materia delle stelle e del gas interstellare; sotto forma di composti forma l'atmosfera di molti pianeti; Sulla Terra, la quota di atomi di idrogeno è del 17% fa parte della sostanza più comune: l'acqua, nella composizione dei composti che formano gli organismi viventi, dove la quota dei suoi atomi è di circa il 50%; Allo stesso tempo, la frazione di massa dell’idrogeno sulla Terra (crosta terrestre + idrosfera) è di circa l’1,5%
Il metodo principale per produrre idrogeno in laboratorio è l'interazione dei metalli (Zn, Fe) con acidi diluiti, nonché l'elettrolisi delle soluzioni alcaline. Nell'industria, l'idrogeno viene prodotto mediante elettrolisi di soluzioni saline (NaCl), mediante conversione o ossidazione catalitica del metano, mediante cracking o reforming di idrocarburi (raffinazione del petrolio).
Conversione del metano: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2

Proprietà fisiche:

L'idrogeno si presenta sotto forma di tre isotopi, che hanno nomi e simboli individuali: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D), 3 H - trizio (T). L'idrogeno naturale contiene il 99,99% di protio e lo 0,01% di deuterio. Il trizio si trova naturalmente in quantità molto piccole ed è radioattivo con un tempo di dimezzamento di 12,32 anni.
Sostanza semplice H2, il gas più leggero, incolore, inodore e insapore, punto di fusione -259,1, punto di ebollizione -252,8°C, poco solubile in acqua - 18,8 ml/l. L'idrogeno è altamente solubile in molti metalli (850 volumi per 1 volume di Pd) e può facilmente diffondersi attraverso le membrane metalliche.
Idrogeno pesante D 2 ha una densità doppia e punti di fusione e di ebollizione leggermente più alti (-254,5°C e -249,5°C)

Proprietà chimiche:

A temperature normali, l'idrogeno reagisce solo con metalli molto attivi (ad esempio calcio) e non metalli: fluoro (senza luce, con un'esplosione), cloro (alla luce, con un'esplosione). Reagisce con la maggior parte dei non metalli quando riscaldato (con l'ossigeno, la reazione avviene istantaneamente quando viene acceso). Una miscela 1:2 di ossigeno e idrogeno è chiamata “gas esplosivo”. Ha proprietà riducenti pronunciate, riducendo gli ossidi metallici: ferro, rame, piombo, tungsteno, ecc. In presenza di catalizzatori (Pt, Ni), si aggiunge a legami multipli di composti organici (reazione di idrogenazione).

I collegamenti più importanti:

Ossido di idrogeno, H2O- L'acqua è un liquido incolore, incolore, inodore, insapore. Le proprietà fisiche anomale dell'acqua (Tm = 0°C, Tbp = 100°C) sono dovute alla formazione di legami idrogeno intermolecolari. È un anfolita, che si dissocia per formare ioni idronio e idrossido, tuttavia, il grado di dissociazione è 1,8 * 10 -16, quindi l'acqua pura quasi non conduce corrente elettrica.
L'acqua è una sostanza altamente reattiva. Reazioni principali:
- reazioni di composti con ossidi di metalli e non metalli attivi, con formazione dei corrispondenti idrossidi di natura basica o acida;
- reazioni di idrolisi (reversibili e irreversibili) di molte sostanze inorganiche e organiche;
- reazioni di idratazione - aggiunta di acqua attraverso legami multipli di composti organici.

Perossido di idrogeno - H 2 O 2- un liquido incolore, sciropposo, incolore, inodore, con sapore metallico sgradevole. Alla massima concentrazione - liquido (con una densità di circa 1,5 g/cm3), punto di fusione -0,43°C, punto di ebollizione 150°C. Si scioglie in acqua, alcool etilico, etere etilico in qualsiasi rapporto.
Nelle soluzioni concentrate, il perossido di idrogeno è instabile ed esplode in acqua e ossigeno. Provoca gravi ustioni.
Solitamente utilizzato sotto forma di soluzioni diluite (3%-30%). Ossidante? a cosa serve come candeggina, disinfettante, ecc. In natura si trova negli strati più bassi dell'atmosfera, nelle precipitazioni.

Idruri ionici - MH x- composti di idrogeno con metalli alcalini e alcalino terrosi, dove l'idrogeno ha uno stato di ossidazione pari a -1. Solidi simili al sale. Restauratori. Si decompongono con acqua e acidi per rilasciare idrogeno: NaH + H 2 O → NaOH + H 2

Idruri covalenti - H x X- composti di idrogeno con non metalli, dove l'idrogeno ha uno stato di ossidazione +1. Gas, molti sono velenosi. Riduttori dovuti al non metallo. Le proprietà variano da inerte (metano) a acido (alogenuri di idrogeno). L'ammoniaca NH 3 e, più debole, la fosfina PH 3 presentano proprietà basiche. Ad eccezione degli alogenuri di idrogeno, sono infiammabili con formazione dei corrispondenti ossidi.

Applicazione:

Uno dei primi usi dell’idrogeno fu negli aerei più leggeri dell’aria: palloni aerostatici e dirigibili. A causa dell'elevato rischio di incendio dell'idrogeno, questo utilizzo è stato interrotto, ad eccezione dei palloni meteorologici.

L'idrogeno atomico viene utilizzato per la saldatura con idrogeno atomico. L'idrogeno liquido è uno dei tipi di carburante per missili. Le celle a combustibile idrogeno-ossigeno utilizzano l'idrogeno per convertire direttamente l'energia di una reazione chimica in energia elettrica.

Come agente riducente nella produzione di alcuni metalli, per la produzione di grassi solidi mediante idrogenazione di oli vegetali. Nell'industria chimica - produzione di ammoniaca, acido cloridrico, ecc.

Perossido di idrogeno: una soluzione al 3% viene utilizzata in medicina, cosmetologia e industria per sbiancare paglia, piume, colla, pelliccia, pelle, ecc., una soluzione al 60% viene utilizzata per sbiancare grassi e oli. Soluzioni altamente concentrate (85-90%) mescolate con alcune sostanze infiammabili vengono utilizzate per produrre miscele esplosive, come ossidante nei motori di razzi e siluri.

Deuteruro di litio-6: come fonte di deuterio e trizio nelle armi termonucleari (bomba all'idrogeno).

Novikova O., Pasyuk E.
Università statale di Tyumen, gruppo 502, 2013

Fonti:
Idrogeno // Wikipedia. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=55655584
Idrogeno // Enciclopedia online nel mondo. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/VODOROD.html (data di accesso: 23/05/2013).
Pchyolkina G.V. Lezione n.24. Hydrogen// URL Himula.com: https://sites.google.com/site/himulacom/ (data di accesso: 23/05/2013).

L'idrogeno H è un elemento chimico, uno dei più comuni nel nostro Universo. La massa dell'idrogeno come elemento nella composizione delle sostanze rappresenta il 75% del contenuto totale di atomi di altri tipi. Fa parte del composto più importante e vitale del pianeta: l'acqua. Una caratteristica distintiva dell’idrogeno è anche che è il primo elemento nel sistema periodico degli elementi chimici di D.I.

Scoperta ed esplorazione

La prima menzione dell'idrogeno negli scritti di Paracelso risale al XVI secolo. Ma il suo isolamento dalla miscela gassosa dell'aria e lo studio delle proprietà infiammabili furono effettuati già nel XVII secolo dallo scienziato Lemery. L'idrogeno è stato studiato a fondo da un chimico, fisico e scienziato naturale inglese che ha dimostrato sperimentalmente che la massa dell'idrogeno è la più piccola rispetto ad altri gas. Nelle fasi successive dello sviluppo della scienza, molti scienziati lavorarono con lui, in particolare Lavoisier, che lo definì "il creatore dell'acqua".

Caratteristiche per posizione nel PSHE

L'elemento che apre la tavola periodica di D.I. Mendeleev è l'idrogeno. Le proprietà fisiche e chimiche dell'atomo mostrano una certa dualità, poiché l'idrogeno viene classificato contemporaneamente come appartenente al primo gruppo, il sottogruppo principale, se si comporta come un metallo e cede un singolo elettrone nel processo di una reazione chimica, e al settimo - in caso di riempimento completo del guscio di valenza, cioè accettazione della particella negativa, che lo caratterizza come simile agli alogeni.

Caratteristiche della struttura elettronica dell'elemento

Le proprietà delle sostanze complesse in cui è compreso, e della sostanza più semplice H2, sono determinate principalmente dalla configurazione elettronica dell'idrogeno. La particella ha un elettrone di Z= (-1), che ruota nella sua orbita attorno a un nucleo contenente un protone di massa unitaria e carica positiva (+1). La sua configurazione elettronica è scritta come 1s 1, il che significa la presenza di una particella negativa nel primissimo e unico orbitale s dell'idrogeno.

Quando un elettrone viene rimosso o ceduto e l'atomo di questo elemento ha una proprietà tale da essere correlato ai metalli, si ottiene un catione. In sostanza, lo ione idrogeno è una particella elementare positiva. Pertanto, l'idrogeno privato di un elettrone è chiamato semplicemente protone.

Proprietà fisiche

Per descrivere brevemente l'idrogeno, è un gas incolore, poco solubile con una massa atomica relativa di 2,14,5 volte più leggero dell'aria, con una temperatura di liquefazione di -252,8 gradi Celsius.

Per esperienza si può facilmente verificare che l'H 2 è il più leggero. Per fare ciò, è sufficiente riempire tre palline con varie sostanze - idrogeno, anidride carbonica, aria normale - e contemporaneamente rilasciarle dalla mano. Quello riempito con CO 2 raggiungerà il suolo più velocemente, poi quello gonfiato con la miscela d'aria scenderà e quello contenente H 2 salirà verso il soffitto.

La piccola massa e dimensione delle particelle di idrogeno giustificano la sua capacità di penetrare varie sostanze. Facendo l'esempio della stessa palla, è facile verificarlo; dopo un paio di giorni si sgonfierà da sola, poiché il gas passerà semplicemente attraverso la gomma. L'idrogeno può anche accumularsi nella struttura di alcuni metalli (palladio o platino) ed evaporare da esso quando la temperatura aumenta.

La proprietà di bassa solubilità dell'idrogeno viene utilizzata nella pratica di laboratorio per isolarlo spostando l'idrogeno (la tabella mostrata di seguito contiene i parametri principali) per determinare l'ambito della sua applicazione e i metodi di produzione.

Parametro di un atomo o di una molecola di una sostanza semplice	Senso
Massa atomica (massa molare)	1.008 g/mol
Configurazione elettronica	1s 1
Cella di cristallo	Esagonale
Conduttività termica	(300 K) 0,1815 W/(m·K)
Densità al n. tu.	0,08987 g/l
Temperatura di ebollizione	-252,76 °C
Calore specifico di combustione	120,9 10 6 J/kg
Temperatura di fusione	-259,2°C
solubilità in acqua	18,8ml/l

Composizione isotopica

Come molti altri rappresentanti del sistema periodico degli elementi chimici, l'idrogeno ha diversi isotopi naturali, cioè atomi con lo stesso numero di protoni nel nucleo, ma un diverso numero di neutroni - particelle con carica zero e massa unitaria. Esempi di atomi con proprietà simili sono ossigeno, carbonio, cloro, bromo e altri, compresi quelli radioattivi.

Le proprietà fisiche dell'idrogeno 1H, il più comune dei rappresentanti di questo gruppo, differiscono significativamente dalle stesse caratteristiche delle sue controparti. In particolare differiscono le caratteristiche delle sostanze in essi contenute. Quindi, c'è acqua ordinaria e deuterata, che contiene, invece di un atomo di idrogeno con un singolo protone, deuterio 2 H - il suo isotopo con due particelle elementari: positiva e priva di carica. Questo isotopo è due volte più pesante dell'idrogeno normale, il che spiega la drammatica differenza nelle proprietà dei composti che lo compongono. In natura il deuterio si trova 3200 volte meno frequentemente dell'idrogeno. Il terzo rappresentante è il trizio 3H; ha due neutroni e un protone nel nucleo.

Metodi di produzione e isolamento

I metodi di laboratorio e quelli industriali sono molto diversi. Pertanto, il gas viene prodotto in piccole quantità principalmente attraverso reazioni che coinvolgono sostanze minerali, mentre la produzione su larga scala utilizza in misura maggiore la sintesi organica.

In laboratorio vengono utilizzate le seguenti interazioni chimiche:

Per scopi industriali, il gas viene prodotto con i seguenti metodi:

1. Decomposizione termica del metano in presenza di un catalizzatore nelle sue sostanze semplici costituenti (il valore di tale indicatore poiché la temperatura raggiunge i 350 gradi) - idrogeno H2 e carbonio C.
2. Passando acqua piena di vapore attraverso la coca cola a 1000 gradi Celsius per formare anidride carbonica CO 2 e H 2 (il metodo più comune).
3. Conversione del gas metano su un catalizzatore al nichel a temperature che raggiungono gli 800 gradi.
4. L'idrogeno è un sottoprodotto dell'elettrolisi di soluzioni acquose di cloruri di potassio o di sodio.

Interazioni chimiche: disposizioni generali

Le proprietà fisiche dell'idrogeno spiegano in gran parte il suo comportamento nei processi di reazione con un particolare composto. La valenza dell'idrogeno è 1, poiché si trova nel primo gruppo della tavola periodica e il grado di ossidazione varia. In tutti i composti, eccetto gli idruri, l'idrogeno in d.o. = (1+), in molecole del tipo CN, CN 2, CN 3 - (1-).

La molecola di idrogeno gassoso, formata creando una coppia di elettroni generalizzata, è composta da due atomi ed è abbastanza stabile dal punto di vista energetico, motivo per cui in condizioni normali è alquanto inerte e reagisce quando le condizioni normali cambiano. A seconda del grado di ossidazione dell'idrogeno nella composizione di altre sostanze, può agire sia come agente ossidante che come agente riducente.

Sostanze con cui reagisce e si forma l'idrogeno

Interazioni elementali per formare sostanze complesse (spesso a temperature elevate):

1. Metalli alcalini e alcalino terrosi + idrogeno = idruro.
2. Alogeno + H 2 = alogenuro di idrogeno.
3. Zolfo + idrogeno = idrogeno solforato.
4. Ossigeno + H2 = acqua.
5. Carbonio + idrogeno = metano.
6. Azoto + H2 = ammoniaca.

Interazione con sostanze complesse:

1. Produzione di gas di sintesi da monossido di carbonio e idrogeno.
2. Riduzione dei metalli dai loro ossidi utilizzando H 2.
3. Saturazione di idrogeno degli idrocarburi alifatici insaturi.

Legame idrogeno

Le proprietà fisiche dell'idrogeno sono tali da consentirgli, in combinazione con un elemento elettronegativo, di formare un tipo speciale di legame con lo stesso atomo di molecole vicine che hanno coppie di elettroni solitari (ad esempio ossigeno, azoto e fluoro). L'esempio più chiaro in cui è meglio considerare questo fenomeno è l'acqua. Si può dire che sia cucito con legami idrogeno, che sono più deboli di quelli covalenti o ionici, ma poiché ce ne sono molti, hanno un impatto significativo sulle proprietà della sostanza. Essenzialmente, il legame idrogeno è un'interazione elettrostatica che lega le molecole d'acqua in dimeri e polimeri, dando origine al suo alto punto di ebollizione.

Idrogeno nei composti minerali

Tutti contengono un protone, un catione di un atomo come l'idrogeno. Una sostanza il cui residuo acido ha uno stato di ossidazione maggiore di (-1) è chiamata composto polibasico. Contiene diversi atomi di idrogeno, il che rende la dissociazione in soluzioni acquose multistadio. Ogni protone successivo diventa sempre più difficile da rimuovere dal residuo acido. L'acidità del mezzo è determinata dal contenuto quantitativo di idrogeno nel mezzo.

Applicazione nelle attività umane

Le bombole con la sostanza, così come i contenitori con altri gas liquefatti, come l'ossigeno, hanno un aspetto specifico. Sono dipinti di verde scuro con la parola "Idrogeno" scritta in rosso brillante. Il gas viene pompato in una bombola ad una pressione di circa 150 atmosfere. Le proprietà fisiche dell'idrogeno, in particolare la leggerezza dello stato gassoso di aggregazione, vengono sfruttate per riempire palloncini, palloncini, ecc. con esso miscelato con elio.

L’idrogeno, le cui proprietà fisiche e chimiche le cui persone hanno imparato a sfruttare molti anni fa, è attualmente utilizzato in molti settori. La maggior parte è destinata alla produzione di ammoniaca. L'idrogeno partecipa anche agli ossidi (afnio, germanio, gallio, silicio, molibdeno, tungsteno, zirconio e altri), agendo nella reazione come agente riducente, acidi cianidrici e cloridrici, nonché combustibile liquido artificiale. L'industria alimentare lo utilizza per convertire gli oli vegetali in grassi solidi.

Sono state determinate le proprietà chimiche e l'uso dell'idrogeno in vari processi di idrogenazione e idrogenazione di grassi, carboni, idrocarburi, oli e olio combustibile. Viene utilizzato per produrre pietre preziose, lampade a incandescenza e forgiare e saldare prodotti metallici sotto l'influenza di una fiamma ossigeno-idrogeno.