Hidrogen H ialah unsur kimia, salah satu unsur yang paling biasa di Alam Semesta kita. Jisim hidrogen sebagai unsur dalam komposisi bahan ialah 75% daripada jumlah kandungan atom jenis lain. Ia termasuk dalam sambungan yang paling penting dan penting di planet ini - air. Ciri tersendiri hidrogen juga ialah ia merupakan unsur pertama dalam sistem berkala unsur kimia D. I. Mendeleev.
Penemuan dan penerokaan
Rujukan pertama kepada hidrogen dalam tulisan Paracelsus bermula pada abad keenam belas. Tetapi pengasingannya daripada campuran gas udara dan kajian sifat mudah terbakar telah pun dibuat pada abad ketujuh belas oleh saintis Lemery. Hidrogen telah dikaji secara menyeluruh oleh ahli kimia, fizik dan naturalis Inggeris Henry Cavendish, yang secara eksperimen membuktikan bahawa jisim hidrogen adalah yang paling kecil berbanding dengan gas lain. Pada peringkat perkembangan sains yang seterusnya, ramai saintis bekerja dengannya, khususnya Lavoisier, yang memanggilnya "melahirkan air."
Ciri-ciri mengikut kedudukan dalam PSHE
Elemen yang dibukajadual berkala D. I. Mendeleev, ialah hidrogen. Sifat fizikal dan kimia atom menunjukkan beberapa dualiti, kerana hidrogen secara serentak diberikan kepada kumpulan pertama, subkumpulan utama, jika ia berkelakuan seperti logam dan melepaskan satu elektron dalam proses tindak balas kimia, dan kepada ketujuh - dalam kes pengisian lengkap cangkang valensi, iaitu zarah negatif penerimaan, yang mencirikannya sebagai serupa dengan halogen.
Ciri struktur elektronik elemen
Sifat atom hidrogen, bahan kompleks yang merupakan sebahagian daripadanya, dan bahan paling ringkas H2 ditentukan terutamanya oleh konfigurasi elektron hidrogen. Zarah mempunyai satu elektron dengan Z=(-1), yang berputar di orbitnya mengelilingi nukleus, mengandungi satu proton dengan jisim unit dan cas positif (+1). Konfigurasi elektroniknya ditulis sebagai 1s1, yang bermaksud kehadiran satu zarah negatif dalam orbital s yang pertama dan satu-satunya untuk hidrogen.
Apabila elektron tertanggal atau diberikan, dan atom unsur ini mempunyai sifat sedemikian sehingga ia berkaitan dengan logam, kation diperoleh. Malah, ion hidrogen ialah zarah asas positif. Oleh itu, hidrogen tanpa elektron dipanggil proton.
Sifat fizikal
Jika kita menerangkan secara ringkas sifat fizikal hidrogen, maka ia adalah gas tidak berwarna, sedikit larut dengan jisim atom relatif sama dengan 2, 14.5 kali lebih ringan daripada udara, dengan suhupencairan -252.8 darjah Celsius.
Anda boleh melihat dengan mudah daripada pengalaman bahawa H2 adalah yang paling mudah. Untuk melakukan ini, cukup untuk mengisi tiga bola dengan pelbagai bahan - hidrogen, karbon dioksida, udara biasa - dan pada masa yang sama melepaskannya dari tangan anda. Yang diisi dengan CO2 akan sampai ke tanah lebih cepat daripada yang lain, selepas itu campuran udara yang melambung akan turun, dan yang mengandungi H2 akan naik ke siling.
Jisim dan saiz zarah hidrogen yang kecil membenarkan keupayaannya untuk menembusi pelbagai bahan. Pada contoh bola yang sama, ini mudah untuk disahkan, dalam beberapa hari ia akan mengempis sendiri, kerana gas hanya akan melalui getah. Selain itu, hidrogen boleh terkumpul dalam struktur sesetengah logam (paladium atau platinum), dan menyejat daripadanya apabila suhu meningkat.
Sifat keterlarutan rendah hidrogen digunakan dalam amalan makmal untuk pengasingannya dengan kaedah anjakan air. Sifat fizikal hidrogen (jadual di bawah mengandungi parameter utama) menentukan skop penggunaan dan kaedah pengeluarannya.
| Parameter atom atau molekul bahan ringkas | Maksud |
| Jisim atom (jisim molar) | 1.008 g/mol |
| Konfigurasi elektronik | 1s1 |
| Kekisi kristal | Heksagon |
| Kekonduksian terma | (300 K) 0.1815 W/(m K) |
| Ketumpatan pada n. y. | 0, 08987 g/l |
| Takat didih | -252, 76 °C |
| Nilai kalori khusus | 120, 9 106 J/kg |
| Takat lebur | -259, 2 °C |
| Keterlarutan air | 18, 8ml/L |
Komposisi isotop
Seperti kebanyakan wakil lain sistem berkala unsur kimia, hidrogen mempunyai beberapa isotop semula jadi, iaitu atom dengan bilangan proton yang sama dalam nukleus, tetapi bilangan neutron yang berbeza - zarah dengan cas dan unit sifar jisim. Contoh atom yang mempunyai sifat ini ialah oksigen, karbon, klorin, bromin dan lain-lain, termasuk yang radioaktif.
Sifat fizikal hidrogen 1H, yang paling biasa daripada wakil kumpulan ini, berbeza dengan ketara daripada ciri yang sama bagi rakan sejawatannya. Khususnya, ciri-ciri bahan di mana ia dimasukkan berbeza. Jadi, terdapat air biasa dan deuterated, mengandungi dalam komposisinya dan bukannya atom hidrogen dengan proton tunggal, deuterium 2H - isotopnya dengan dua zarah asas: positif dan tidak bercas. Isotop ini adalah dua kali lebih berat daripada hidrogen biasa, yang menerangkan perbezaan asas dalam sifat-sifat sebatian yang membentuknya. Secara semula jadi, deuterium adalah 3200 kali lebih jarang daripada hidrogen. Wakil ketiga ialah tritium 3Н, dalam nukleus ia mempunyai dua neutron dan satu proton.
Kaedah mendapatkan dan memilih
Kaedah makmal dan perindustrian untuk menghasilkan hidrogen sangat berbeza. Ya, dalam kuantiti yang sedikitgas dihasilkan terutamanya melalui tindak balas yang melibatkan mineral, manakala pengeluaran berskala besar menggunakan sintesis organik pada tahap yang lebih besar.
Interaksi kimia berikut digunakan dalam makmal:
- Tindak balas logam alkali dan alkali tanah dengan air untuk membentuk alkali dan gas yang dikehendaki.
- Elektrolisis larutan elektrolit akueus, H2↑ dilepaskan di anod, dan oksigen dibebaskan di katod.
- Penguraian hidrida logam alkali dengan air, produknya adalah alkali dan, oleh itu, gas H2↑.
- Tindak balas asid cair dengan logam untuk membentuk garam dan H2↑.
- Tindakan alkali pada silikon, aluminium dan zink juga menggalakkan pembebasan hidrogen selari dengan pembentukan garam kompleks.
Dalam kepentingan industri, gas diperoleh melalui kaedah seperti:
- Penguraian terma metana dengan kehadiran mangkin kepada bahan ringkas konstituennya (350 darjah mencapai nilai penunjuk seperti suhu) - hidrogen H2↑ dan karbon C.
- Melalui air berwap melalui kok pada 1000 darjah Celsius untuk membentuk karbon dioksida CO2 dan H2↑ (kaedah yang paling biasa).
- Penukaran gas metana pada mangkin nikel pada suhu mencecah 800 darjah.
- Hidrogen ialah hasil sampingan daripada elektrolisis larutan akueus kalium atau natrium klorida.
Kimiainteraksi: umum
Sifat fizikal hidrogen sebahagian besarnya menerangkan kelakuannya dalam proses tindak balas dengan satu atau sebatian lain. Valensi hidrogen ialah 1, kerana ia terletak dalam kumpulan pertama dalam jadual berkala, dan tahap pengoksidaan menunjukkan yang berbeza. Dalam semua sebatian, kecuali hidrida, hidrogen dalam s.o.=(1+), dalam molekul seperti ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Molekul gas hidrogen, yang terbentuk dengan mencipta pasangan elektron umum, terdiri daripada dua atom dan agak stabil secara bertenaga, itulah sebabnya dalam keadaan biasa ia agak lengai dan memasuki tindak balas apabila keadaan normal berubah. Bergantung pada tahap pengoksidaan hidrogen dalam komposisi bahan lain, ia boleh bertindak sebagai agen pengoksidaan dan agen penurunan.
Bahan yang bertindak balas dan membentuk hidrogen
Interaksi unsur untuk membentuk bahan kompleks (selalunya pada suhu tinggi):
- Logam alkali dan alkali tanah + hidrogen=hidrida.
- Halogen + H2=hidrogen halida.
- Sulfur + hidrogen=hidrogen sulfida.
- Oksigen + H2=air.
- Karbon + hidrogen=metana.
- Nitrogen + H2=ammonia.
Interaksi dengan bahan kompleks:
- Menghasilkan gas sintesis daripada karbon monoksida dan hidrogen.
- Pemulihan logam daripada oksidanya menggunakan H2.
- Tepu hidrogen alifatik tak tepuhidrokarbon.
Ikatan hidrogen
Sifat fizik hidrogen adalah sedemikian rupa sehingga ia membenarkannya, digabungkan dengan unsur elektronegatif, membentuk sejenis ikatan khas dengan atom yang sama daripada molekul jiran yang mempunyai pasangan elektron yang tidak dikongsi (contohnya, oksigen, nitrogen dan fluorin). Contoh paling jelas di mana lebih baik untuk mempertimbangkan fenomena sedemikian ialah air. Ia boleh dikatakan bahawa ia dijahit dengan ikatan hidrogen, yang lebih lemah daripada kovalen atau ion, tetapi disebabkan oleh fakta bahawa terdapat banyak daripada mereka, ia mempunyai kesan yang ketara terhadap sifat-sifat bahan tersebut. Pada asasnya, ikatan hidrogen ialah interaksi elektrostatik yang mengikat molekul air menjadi dimer dan polimer, menghasilkan takat didihnya yang tinggi.
Hidrogen dalam sebatian mineral
Komposisi semua asid tak organik termasuk proton - kation bagi atom seperti hidrogen. Bahan yang sisa asidnya mempunyai keadaan pengoksidaan lebih besar daripada (-1) dipanggil sebatian polibes. Ia mengandungi beberapa atom hidrogen, yang menjadikan pemisahan dalam larutan akueus berbilang peringkat. Setiap proton seterusnya semakin sukar untuk memisahkan diri daripada asid yang lain. Dengan kandungan kuantitatif hidrogen dalam medium, keasidannya ditentukan.
Hidrogen juga mengandungi kumpulan hidroksil bes. Di dalamnya, hidrogen disambungkan kepada atom oksigen, akibatnya, keadaan pengoksidaan sisa alkali ini sentiasa sama dengan (-1). Kandungan hidroksil dalam medium menentukan keasamannya.
Aplikasi dalam aktiviti manusia
Silinder dengan bahan, serta bekas dengan gas cecair lain, seperti oksigen, mempunyai rupa yang khusus. Mereka dicat hijau gelap dengan huruf "Hidrogen" merah terang. Gas dipam ke dalam silinder di bawah tekanan kira-kira 150 atmosfera. Sifat fizikal hidrogen, khususnya ringannya keadaan gas pengagregatan, digunakan untuk mengisinya dalam campuran dengan belon helium, belon, dsb.
Hidrogen, sifat fizikal dan kimia yang digunakan oleh orang ramai bertahun-tahun dahulu, kini digunakan dalam banyak industri. Kebanyakannya pergi ke pengeluaran ammonia. Hidrogen juga terlibat dalam penghasilan logam (hafnium, germanium, galium, silikon, molibdenum, tungsten, zirkonium, dan lain-lain) daripada oksida, bertindak dalam tindak balas sebagai agen penurunan, asid hidrosianik dan hidroklorik, metil alkohol, dan cecair tiruan bahan api. Industri makanan menggunakannya untuk menukar minyak sayuran kepada lemak pepejal.
Menentukan sifat kimia dan penggunaan hidrogen dalam pelbagai proses penghidrogenan dan penghidrogenan lemak, arang batu, hidrokarbon, minyak dan minyak bahan api. Dengan bantuannya, batu permata, lampu pijar dihasilkan, produk logam ditempa dan dikimpal di bawah pengaruh nyalaan oksigen-hidrogen.
