الهيدروجين H عنصر كيميائي ، وهو أحد العناصر الأكثر شيوعًا في عالمنا. كتلة الهيدروجين كعنصر في تكوين المواد 75٪ من المحتوى الكلي للذرات من نوع آخر. يتم تضمينه في أهم اتصال وحيوي على هذا الكوكب - الماء. من السمات المميزة للهيدروجين أيضًا أنه العنصر الأول في النظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D. I. Mendeleev.
الاكتشاف والاستكشاف
تعود الإشارات الأولى للهيدروجين في كتابات باراسيلسوس إلى القرن السادس عشر. لكن عزله عن خليط الغاز من الهواء ودراسة الخصائص القابلة للاحتراق قد تم إجراؤه بالفعل في القرن السابع عشر بواسطة العالم Lemery. تمت دراسة الهيدروجين بدقة من قبل الكيميائي والفيزيائي والطبيب الإنجليزي هنري كافنديش ، الذي أثبت تجريبياً أن كتلة الهيدروجين هي الأصغر مقارنةً بالغازات الأخرى. في المراحل اللاحقة من تطور العلم ، عمل معه العديد من العلماء ، ولا سيما لافوازييه ، الذي أطلق عليه "ولادة الماء".
مميزة وفقًا للوضع في PSHE
العنصر الذي يفتحالجدول الدوري لـ D. I. Mendeleev ، هو هيدروجين. تظهر الخصائص الفيزيائية والكيميائية للذرة بعض الازدواجية ، حيث يتم تخصيص الهيدروجين في نفس الوقت للمجموعة الأولى ، المجموعة الفرعية الرئيسية ، إذا كان يتصرف كمعدن ويتخلى عن إلكترون واحد في عملية تفاعل كيميائي ، وإلى سابعًا - في حالة الملء الكامل لقشرة التكافؤ ، أي استقبال الجسيم السالب ، والذي يميزه بأنه يشبه الهالوجينات.
ملامح الهيكل الالكتروني للعنصر
يتم تحديد خصائص ذرة الهيدروجين والمواد المعقدة التي هي جزء منها وأبسط مادة H2بشكل أساسي من خلال التكوين الإلكتروني للهيدروجين. يحتوي الجسيم على إلكترون واحد مع Z=(-1) ، والذي يدور في مداره حول النواة ، ويحتوي على بروتون واحد مع كتلة وحدة وشحنة موجبة (+1). تتم كتابة التكوين الإلكتروني الخاص به على أنه 1s1، مما يعني وجود جسيم سالب واحد في المدار s الأول والوحيد للهيدروجين.
عندما يتم فصل الإلكترون أو التخلي عنه ، ولذرة هذا العنصر خاصية مرتبطة بالمعادن ، يتم الحصول على الكاتيون. في الواقع ، أيون الهيدروجين هو جسيم أولي موجب. لذلك ، الهيدروجين الخالي من الإلكترون يسمى ببساطة البروتون.
الخصائص الفيزيائية
إذا وصفنا بإيجاز الخصائص الفيزيائية للهيدروجين ، فهو غاز عديم اللون وقابل للذوبان بشكل طفيف مع كتلة ذرية نسبية تساوي 2 ، 14.5 مرة أخف من الهواء ، مع درجة حرارةتميع -252.8 درجة مئوية.
يمكنك أن ترى بسهولة من التجربة أن H2هو الأسهل. للقيام بذلك ، يكفي ملء ثلاث كرات بمواد مختلفة - الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والهواء العادي - وإطلاقها في نفس الوقت من يدك. واحد مليء بـ CO2سيصل إلى الأرض بشكل أسرع من أي شخص آخر ، وبعد ذلك سينخفض خليط الهواء المتضخم ، والذي يحتوي على H2سترتفع الى السقف
الكتلة الصغيرة وحجم جزيئات الهيدروجين تبرر قدرتها على اختراق المواد المختلفة. في مثال الكرة نفسها ، من السهل التحقق من ذلك ، ففي غضون يومين سوف تنكمش نفسها ، لأن الغاز سيمر ببساطة عبر المطاط. كما يمكن أن يتراكم الهيدروجين في بنية بعض المعادن (البلاديوم أو البلاتين) ، ويتبخر منه عند ارتفاع درجة الحرارة.
تُستخدم خاصية قابلية الذوبان المنخفضة للهيدروجين في الممارسة المعملية لعزلها بطريقة إزاحة الماء. تحدد الخصائص الفيزيائية للهيدروجين (الجدول أدناه يحتوي على المعلمات الرئيسية) نطاق تطبيقه وطرق إنتاجه.
| معلمة ذرة أو جزيء من مادة بسيطة | المعنى |
| الكتلة الذرية (الكتلة المولية) | 1.008 جم / مول |
| التكوين الإلكتروني | 1s1 |
| شعرية كريستال | سداسي |
| التوصيل الحراري | (300 كلفن) 0.1815 واط / (م · ك) |
| الكثافة في n. ص | 0، 08987 g / l |
| نقطة الغليان | -252، 76 درجة مئوية |
| قيمة حرارية محددة | 120، 9 106J / kg |
| نقطة الانصهار | -259، 2 ° C |
| الذوبان في الماء | 18، 8ml / L |
تكوين النظائر
مثل العديد من الممثلين الآخرين للنظام الدوري للعناصر الكيميائية ، يحتوي الهيدروجين على العديد من النظائر الطبيعية ، أي الذرات التي لها نفس عدد البروتونات في النواة ، ولكن عددًا مختلفًا من النيوترونات - جسيمات بدون شحنة ووحدة الجماعية. ومن الأمثلة على الذرات التي لها هذه الخاصية الأكسجين والكربون والكلور والبروم وغيرها ، بما في ذلك الذرات المشعة.
الخصائص الفيزيائية للهيدروجين1H ، الأكثر شيوعًا بين ممثلي هذه المجموعة ، تختلف اختلافًا كبيرًا عن نفس الخصائص لنظرائها. على وجه الخصوص ، تختلف خصائص المواد التي يتم تضمينها فيها. لذلك ، هناك ماء عادي ومزيل الجفاف ، يحتوي في تركيبته بدلاً من ذرة هيدروجين ببروتون واحد ، الديوتيريوم2H - نظيره مع جسيمين أوليين: موجب وغير مشحون. هذا النظير هو ضعف ثقل الهيدروجين العادي ، وهو ما يفسر الاختلاف الأساسي في خصائص المركبات التي تتكون منها. في الطبيعة ، يعتبر الديوتيريوم أندر 3200 مرة من الهيدروجين. الممثل الثالث هو التريتيوم3Н ، في النواة يحتوي على نيوترونين وبروتون واحد.
طرق الحصول على واختيار
تختلف الأساليب المعملية والصناعية لإنتاج الهيدروجين اختلافًا كبيرًا. نعم بكميات قليلةيتم إنتاج الغاز في المقام الأول من خلال التفاعلات التي تنطوي على المعادن ، بينما يستخدم الإنتاج على نطاق واسع التخليق العضوي إلى حد كبير.
التفاعلات الكيميائية التالية تستخدم في المختبر:
- تفاعل الفلزات القلوية والقلوية الترابية مع الماء لتكوين القلويات والغاز المطلوب.
- التحليل الكهربائي لمحلول إلكتروليت مائي ، يتم تحرير H2عند الأنود ، ويتم إطلاق الأكسجين عند الكاثود.
- تحلل هيدرات المعادن القلوية بالماء ، المنتجات قلوية ، وبالتالي ، غاز الهيدروجين2↑.
- تفاعل الأحماض المخففة مع المعادن لتشكيل الأملاح و H2↑.
- يعمل عمل القلويات على السيليكون والألمنيوم والزنك أيضًا على تعزيز إطلاق الهيدروجين بالتوازي مع تكوين الأملاح المعقدة.
في المصالح الصناعية يتم الحصول على الغاز بطرق مثل:
- التحلل الحراري للميثان في وجود محفز للمواد البسيطة المكونة له (350 درجة تصل إلى قيمة مؤشر مثل درجة الحرارة) - الهيدروجين H2↑ والكربون جيم
- تمرير الماء البخاري عبر فحم الكوك عند 1000 درجة مئوية لتكوين ثاني أكسيد الكربون CO2و H2↑ (الطريقة الأكثر شيوعًا)
- تحويل غاز الميثان على محفز نيكل عند درجات حرارة تصل إلى 800 درجة.
- الهيدروجين هو منتج ثانوي للتحليل الكهربائي للمحاليل المائية للبوتاسيوم أو كلوريد الصوديوم.
كيميائيالتفاعلات: العموميات
تشرح الخصائص الفيزيائية للهيدروجين إلى حد كبير سلوكه في عمليات التفاعل مع مركب أو آخر. تكافؤ الهيدروجين هو 1 ، لأنه يقع في المجموعة الأولى في الجدول الدوري ، ودرجة الأكسدة تظهر درجة مختلفة. في جميع المركبات ، باستثناء الهيدرات ، الهيدروجين في سو=(1+) ، في جزيئات مثل ХН ، ХН2، ХН3- (1 -).
جزيء غاز الهيدروجين ، الذي يتكون عن طريق تكوين زوج إلكترون معمم ، يتكون من ذرتين وهو مستقر تمامًا من حيث الطاقة ، ولهذا السبب يكون خاملًا إلى حد ما في ظل الظروف العادية ويدخل في تفاعلات عندما تتغير الظروف العادية. اعتمادًا على درجة أكسدة الهيدروجين في تركيبة المواد الأخرى ، يمكن أن يعمل كعامل مؤكسد وعامل مختزل.
المواد التي يتفاعل معها ويشكل الهيدروجين
التفاعلات الأولية لتكوين مواد معقدة (غالبًا في درجات حرارة مرتفعة):
- فلز قلوي وقلوي أرضي + هيدروجين=هيدريد.
- هالوجين + H2=هاليد الهيدروجين.
- كبريت + هيدروجين=كبريتيد الهيدروجين.
- أكسجين + H2=ماء.
- كربون + هيدروجين=ميثان.
- نيتروجين + H2=أمونيا.
التفاعل مع المواد المعقدة:
- إنتاج غاز تخليقي من أول أكسيد الكربون والهيدروجين.
- استعادة المعادن من أكاسيدها باستخدام H2.
- تشبع الهيدروجين للأليفاتية غير المشبعةالهيدروكربونات.
رابطة الهيدروجين
الخصائص الفيزيائية للهيدروجين تسمح له ، بالاشتراك مع عنصر كهربي ، بتكوين نوع خاص من الروابط مع نفس الذرة من الجزيئات المجاورة التي تحتوي على أزواج إلكترونية غير مشتركة (على سبيل المثال ، الأكسجين ، النيتروجين والفلور). أوضح مثال على أنه من الأفضل النظر في مثل هذه الظاهرة هو الماء. يمكن القول أنه مخيط بروابط هيدروجينية ، وهي أضعف من الروابط التساهمية أو الأيونية ، ولكن نظرًا لوجود العديد منها ، يكون لها تأثير كبير على خصائص المادة. في الأساس ، الرابطة الهيدروجينية هي تفاعل إلكتروستاتيكي يربط جزيئات الماء في ثنائيات وبوليمرات ، مما يؤدي إلى ارتفاع نقطة الغليان.
الهيدروجين في المركبات المعدنية
تشتمل تركيبة جميع الأحماض غير العضوية على بروتون - وهو كاتيون من ذرة مثل الهيدروجين. المادة التي تحتوي بقاياها الحمضية على حالة أكسدة أكبر من (-1) تسمى مركب متعدد القاعدة. يحتوي على عدة ذرات هيدروجين مما يجعل التفكك في المحاليل المائية متعدد المراحل. كل بروتون لاحق ينفصل عن بقية الحمض أكثر وأكثر صعوبة. من خلال المحتوى الكمي للهيدروجين في الوسط ، يتم تحديد حموضته.
يحتوي الهيدروجين أيضًا على مجموعات هيدروكسيل من القواعد. في نفوسهم ، يرتبط الهيدروجين بذرة أكسجين ، ونتيجة لذلك ، فإن حالة الأكسدة لهذه البقايا القلوية تساوي دائمًا (-1). يحدد محتوى الهيدروكسيل في الوسط قاعدته.
التطبيق في الأنشطة البشرية
الأسطوانات التي تحتوي على مادة ما ، وكذلك الحاويات التي تحتوي على غازات مسيلة أخرى ، مثل الأكسجين ، لها مظهر خاص. تم طلاؤها باللون الأخضر الداكن مع أحرف "هيدروجين" حمراء زاهية. يُضخ الغاز في أسطوانة تحت ضغط حوالي 150 جوًا. تستخدم الخصائص الفيزيائية للهيدروجين ، ولا سيما خفة الحالة الغازية للتجمع ، لملئه في خليط ببالونات الهيليوم والبالونات وما إلى ذلك.
الهيدروجين ، الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تعلم الناس استخدامها منذ سنوات عديدة ، يستخدم حاليًا في العديد من الصناعات. يذهب معظمها لإنتاج الأمونيا. يشارك الهيدروجين أيضًا في إنتاج المعادن (الهافنيوم ، والجرمانيوم ، والغاليوم ، والسيليكون ، والموليبدينوم ، والتنغستن ، والزركونيوم ، وغيرها) من الأكاسيد ، ويعمل في التفاعل كعامل اختزال ، وأحماض الهيدروسيانيك والهيدروكلوريك ، وكحول الميثيل ، والسائل الاصطناعي الوقود. تستخدمه الصناعات الغذائية لتحويل الزيوت النباتية إلى دهون صلبة.
تحديد الخصائص الكيميائية واستخدام الهيدروجين في مختلف عمليات الهدرجة والهدرجة للدهون والفحم والهيدروكربونات والزيوت وزيت الوقود. بمساعدته ، يتم إنتاج الأحجار الكريمة والمصابيح المتوهجة ، ويتم تشكيل المنتجات المعدنية ولحامها تحت تأثير لهب الأكسجين والهيدروجين.
