Propriedades físicas e químicas do hidrogénio. Hidrogênio - o que é essa substância? Propriedades químicas e físicas do hidrogênio

distribuição na natureza. V. é amplamente distribuído na natureza, seu conteúdo em crosta terrestre(litosfera e hidrosfera) é de 1% em massa e 16% em número de átomos. é uma parte da substância mais comum na Terra - água (11,19% de V. em massa), na composição de compostos que compõem carvões, petróleo, gases naturais, argila, bem como organismos animais e vegetais (ou seja, , na composição proteínas, ácidos nucléicos, gorduras, carboidratos, etc.). No estado livre, o V. é extremamente raro, sendo encontrado em pequenas quantidades em gases vulcânicos e outros gases naturais. Quantidades desprezíveis de V livre (0,0001% em número de átomos) estão presentes na atmosfera. No espaço próximo à Terra, V. na forma de um fluxo de prótons forma o cinturão de radiação interno (“próton”) da Terra. No espaço, V. é o elemento mais comum. Na forma de plasma, compõe cerca de metade da massa do Sol e da maioria das estrelas, a maior parte dos gases do meio interestelar e das nebulosas gasosas. está presente na atmosfera de vários planetas e cometas na forma de H2 livre, metano CH4, amônia NH3, água H2O, radicais como CH, NH, OH, SiH, PH, etc. Na forma de um fluxo de prótons, V. faz parte da radiação corpuscular do Sol e dos raios cósmicos.

Isótopos, átomo e molécula. O V. comum consiste em uma mistura de dois isótopos estáveis: V. leve, ou prótio (1H), e V. pesado, ou deutério (2H, ou D). Em compostos naturais de V., existem em média 6.800 átomos de 1H por 1 átomo de 2H. Um isótopo radioativo foi obtido artificialmente - B. superpesado, ou trítio (3H, ou T), com radiação β suave e meia-vida T1/2 = 12.262 anos. Na natureza, o trítio é formado, por exemplo, a partir do nitrogênio atmosférico sob a ação de nêutrons de raios cósmicos; é insignificante na atmosfera (4-10-15% do número total de átomos de ar). Obteve-se um isótopo 4H extremamente instável. Os números de massa dos isótopos 1H, 2H, 3H e 4H, respectivamente 1,2, 3 e 4, indicam que o núcleo do átomo de prótio contém apenas 1 próton, deutério - 1 próton e 1 nêutron, trítio - 1 próton e 2 nêutrons, 4H - 1 próton e 3 nêutrons. A grande diferença nas massas dos isótopos de hidrogênio causa uma diferença mais perceptível em suas propriedades físicas e químicas do que no caso de isótopos de outros elementos.

O átomo V. tem a estrutura mais simples entre os átomos de todos os outros elementos: consiste em um núcleo e um elétron. A energia de ligação de um elétron com um núcleo (potencial de ionização) é 13,595 eV. O átomo neutro V. também pode ligar um segundo elétron, formando íon negativo H-; neste caso, a energia de ligação do segundo elétron com o átomo neutro (afinidade eletrônica) é de 0,78 eV. A mecânica quântica permite calcular todos os níveis de energia possíveis do átomo e, consequentemente, dar uma interpretação completa do seu espectro atômico. O átomo V é usado como um átomo modelo em cálculos mecânicos quânticos dos níveis de energia de outros átomos mais complexos. A molécula B. H2 consiste em dois átomos conectados por um covalente ligação química. A energia de dissociação (ou seja, decaimento em átomos) é 4,776 eV (1 eV = 1,60210-10-19 J). A distância interatômica na posição de equilíbrio dos núcleos é 0,7414-Å. Em altas temperaturas, o V. molecular se dissocia em átomos (o grau de dissociação a 2000°C é 0,0013; a 5000°C é 0,95). A atômica V. também é formada em várias reações químicas (por exemplo, pela ação do Zn no ácido clorídrico). No entanto, a existência de V. no estado atômico dura apenas pouco tempo, os átomos se recombinam em moléculas de H2.

Físico e Propriedades quimicas. V. - a mais leve de todas as substâncias conhecidas (14,4 vezes mais leve que o ar), densidade 0,0899 g/l a 0°C e 1 atm. V. ferve (liquefaz) e funde (solidifica) a -252,6°C e -259,1°C, respectivamente (somente o hélio tem pontos de fusão e ebulição mais baixos). A temperatura crítica de V. é muito baixa (-240 ° C), portanto sua liquefação está associada a grandes dificuldades; pressão crítica 12,8 kgf/cm2 (12,8 atm), densidade crítica 0,0312 g/cm3. De todos os gases, V. tem a maior condutividade térmica, igual a 0,174 W/(m-K) a 0°C e 1 atm, ou seja, 4,16-0-4 cal/(s-cm-°C). Calor específico V. a 0°C e 1 atm Cp 14,208-103 j/(kg-K), isto é, 3,394 cal/(g-°C). V. ligeiramente solúvel em água (0,0182 ml / g a 20 ° C e 1 atm), mas bem - em muitos metais (Ni, Pt, Pd, etc.), especialmente em paládio (850 volumes por 1 volume de Pd) . A solubilidade do V. em metais está associada à sua capacidade de se difundir através deles; a difusão através de uma liga carbonácea (por exemplo, aço) às vezes é acompanhada pela destruição da liga devido à interação do aço com o carbono (a chamada descarbonização). A água líquida é muito leve (densidade a -253°C 0,0708 g/cm3) e fluida (viscosidade a -253°C 13,8 graus centígrados).

Na maioria dos compostos, V. exibe uma valência (mais precisamente, o estado de oxidação) +1, como o sódio e outros. metais alcalinos; geralmente é considerado como um análogo destes metais, posição 1 gr. Sistemas de Mendeleev. No entanto, em hidretos metálicos, o íon B. é carregado negativamente (estado de oxidação -1), ou seja, o hidreto de Na + H- é construído como cloreto de Na + Cl-. Este e alguns outros fatos (a proximidade das propriedades físicas de V. e halogênios, a capacidade dos halogênios de substituir V. em compostos orgânicos) dão razão para atribuir V. também ao grupo VII do sistema periódico (para mais detalhes, ver o sistema periódico de elementos). Em condições normais, o V. molecular é relativamente inativo, combinando-se diretamente apenas com os não-metais mais ativos (com flúor e à luz com cloro). No entanto, quando aquecido, reage com muitos elementos. O V. atômico tem atividade química aumentada em comparação com o V. molecular. V. forma água com oxigênio: H2 + 1/2O2 = H2O com a liberação de 285,937-103 J/mol, ou seja, 68,3174 kcal/mol de calor (a 25°C e 1 atm). Em temperaturas normais, a reação ocorre extremamente lentamente, acima de 550 ° C - com uma explosão. Os limites explosivos da mistura hidrogênio-oxigênio são (em volume) de 4 a 94% de H2, e a mistura hidrogênio-ar é de 4 a 74% de H2 (uma mistura de 2 volumes de H2 e 1 volume de O2 é chamada de explosiva gás). V. é usado para reduzir muitos metais, pois retira o oxigênio de seus óxidos:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, etc.
V. forma haletos de hidrogênio com halogênios, por exemplo:
H2 + Cl2 = 2HCl.

Ao mesmo tempo, explode com flúor (mesmo no escuro e a -252°C), reage com cloro e bromo apenas quando iluminado ou aquecido, e com iodo apenas quando aquecido. V. interage com nitrogênio para formar amônia: 3H2 + N2 = 2NH3 apenas em um catalisador e em temperaturas e pressões elevadas. Quando aquecido, V. reage vigorosamente com enxofre: H2 + S = H2S (sulfeto de hidrogênio), muito mais difícil com selênio e telúrio. A PARTIR DE carbono puro V. pode reagir sem um catalisador apenas em altas temperaturas: 2H2 + C (amorfo) = CH4 (metano). V. reage diretamente com alguns metais (álcalis, alcalinos terrosos, etc.), formando hidretos: H2 + 2Li = 2LiH. Importante valor prático têm reações de V. com monóxido de carbono, nas quais, dependendo da temperatura, pressão e catalisador, vários compostos orgânicos, por exemplo HCHO, CH3OH, etc. (ver Monóxido de carbono). Hidrocarbonetos insaturados reagem com hidrogênio, tornando-se saturados, por exemplo: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (ver Hidrogenação).

Hidrogênio H - Elemento químico, um dos mais comuns em nosso universo. A massa de hidrogênio como elemento na composição de substâncias é 75% do conteúdo total de átomos de outro tipo. Está incluído na conexão mais importante e vital do planeta - a água. Recurso distintivo hidrogênio é também o fato de ser o primeiro elemento no sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev.

Descoberta e exploração

As primeiras referências ao hidrogênio nos escritos de Paracelso datam do século XVI. Mas seu isolamento da mistura gasosa do ar e o estudo das propriedades combustíveis já eram feitos no século XVII pelo cientista Lemery. O hidrogênio foi minuciosamente estudado por um químico, físico e naturalista inglês que provou experimentalmente que a massa do hidrogênio é a menor em comparação com outros gases. Nos estágios subsequentes do desenvolvimento da ciência, muitos cientistas trabalharam com ele, em particular Lavoisier, que o chamou de "dar à luz a água".

Característica de acordo com o cargo no PSCE

O elemento que abre a tabela periódica de D. I. Mendeleev é o hidrogênio. As propriedades físicas e químicas do átomo apresentam algum tipo de dualidade, pois o hidrogênio é simultaneamente referido ao primeiro grupo, o subgrupo principal, se se comporta como um metal e cede um único elétron no processo. reação química, e ao sétimo - no caso de preenchimento completo da camada de valência, ou seja, recebimento partícula negativa, o que o caracteriza como semelhante aos halogênios.

Características da estrutura eletrônica do elemento

As propriedades das substâncias complexas nas quais está incluído e a substância mais simples H 2 são determinadas principalmente pela configuração eletrônica do hidrogênio. A partícula possui um elétron com Z= (-1), que gira em sua órbita ao redor do núcleo, contendo um próton com massa unitária e carga positiva (+1). Dele configuração eletronicaé escrito como 1s 1, o que significa a presença de uma partícula negativa no primeiro e único orbital s para o hidrogênio.

Quando um elétron é separado ou doado, e um átomo desse elemento tem uma propriedade que está relacionada a metais, um cátion é obtido. De fato, o íon hidrogênio é uma partícula elementar positiva. Portanto, um hidrogênio desprovido de um elétron é simplesmente chamado de próton.

Propriedades físicas

Descrevendo brevemente o hidrogênio, é um gás incolor, ligeiramente solúvel, com uma massa atômica relativa de 2,14,5 vezes mais leve que o ar, com uma temperatura de liquefação de -252,8 graus Celsius.

Pode-se ver facilmente por experiência que o H2 é o mais leve. Para fazer isso, basta preencher três bolas com várias substâncias - hidrogênio, dióxido de carbono, ar comum - e soltá-las simultaneamente de sua mão. O que está cheio de CO 2 chegará ao solo mais rápido do que qualquer um, depois disso cairá inflado com uma mistura de ar, e o que contém H 2 subirá até o teto.

A pequena massa e tamanho das partículas de hidrogênio justificam sua capacidade de penetrar várias substâncias. No exemplo da mesma bola, isso é fácil de verificar, em alguns dias ela se esvaziará, pois o gás simplesmente passará pela borracha. Além disso, o hidrogênio pode se acumular na estrutura de alguns metais (paládio ou platina) e evaporar quando a temperatura aumenta.

A propriedade de baixa solubilidade do hidrogênio é usada na prática laboratorial para isolá-lo pelo método de deslocamento de hidrogênio (a tabela abaixo contém os principais parâmetros) determinar o escopo de sua aplicação e os métodos de produção.

Parâmetro de um átomo ou molécula de uma substância simples	Significado
Massa atômica (massa molar)	1,008 g/mol
Configuração eletronica	1s 1
Célula de cristal	Hexagonal
Condutividade térmica	(300 K) 0,1815 W/(mK)
Densidade em n. sim	0,08987 g/l
Temperatura de ebulição	-252,76°C
Calor específico de combustão	120,9 10 6 J/kg
Temperatura de fusão	-259,2°C
Solubilidade em Água	18,8 ml/l

Composição isotópica

Como muitos outros representantes do sistema periódico de elementos químicos, o hidrogênio possui vários isótopos naturais, ou seja, átomos com o mesmo número de prótons no núcleo, mas um número diferente de nêutrons - partículas com carga zero e massa unitária. Exemplos de átomos que possuem propriedade semelhante são oxigênio, carbono, cloro, bromo e outros, inclusive radioativos.

As propriedades físicas do hidrogênio 1 H, o mais comum dos representantes deste grupo, diferem significativamente das mesmas características de seus homólogos. Em particular, as características das substâncias em que estão incluídas diferem. Portanto, existe água comum e deuterada, que contém em sua composição, em vez de um átomo de hidrogênio com um único próton, deutério 2 H - seu isótopo com dois partículas elementares: positivo e sem carga. Esse isótopo é duas vezes mais pesado que o hidrogênio comum, o que explica a diferença fundamental nas propriedades dos compostos que eles compõem. Na natureza, o deutério é 3200 vezes mais raro que o hidrogênio. O terceiro representante é o trítio 3 H, no núcleo tem dois nêutrons e um próton.

Métodos para obter e isolar

Os métodos laboratoriais e industriais são muito diferentes. Assim, em pequenas quantidades, o gás é obtido principalmente por meio de reações nas quais minerais, e a produção em larga escala usa a síntese orgânica em maior medida.

As seguintes interações químicas são usadas no laboratório:

No interesse industrial, o gás é obtido por métodos como:

Decomposição térmica do metano na presença de um catalisador para suas substâncias simples constituintes (350 graus atinge o valor de um indicador como temperatura) - hidrogênio H 2 e carbono C.
Passando água vaporosa através de coque a 1000 graus Celsius com a formação de dióxido de carbono CO 2 e H 2 (o método mais comum).
Conversão de metano gasoso em um catalisador de níquel a uma temperatura que chega a 800 graus.
O hidrogênio é um subproduto da eletrólise de soluções aquosas de cloretos de potássio ou sódio.

Interações químicas: disposições gerais

As propriedades físicas do hidrogênio explicam amplamente seu comportamento em processos de reação com um ou outro composto. A valência do hidrogênio é 1, pois está localizado no primeiro grupo da tabela periódica, e o grau de oxidação mostra um diferente. Em todos os compostos, exceto para hidretos, hidrogênio em s.o. = (1+), em moléculas como XH, XH 2, XH 3 - (1-).

A molécula de gás hidrogênio, formada pela criação de um par de elétrons generalizado, é composta por dois átomos e é bastante estável energeticamente, razão pela qual em condições normais é um tanto inerte e entra em reações quando condições normais. Dependendo do grau de oxidação do hidrogênio na composição de outras substâncias, ele pode atuar tanto como agente oxidante quanto como agente redutor.

Substâncias com as quais o hidrogênio reage e forma

Interações elementares para formar substâncias complexas (muitas vezes a temperaturas elevadas):

Metal alcalino e alcalino-terroso + hidrogênio = hidreto.
Halogéneo + H2 = haleto de hidrogénio.
Enxofre + hidrogênio = sulfeto de hidrogênio.
Oxigênio + H2 = água.
Carbono + hidrogênio = metano.
Azoto + H 2 = amoníaco.

Interação com substâncias complexas:

Obtenção de gás de síntese a partir de monóxido de carbono e hidrogênio.
Recuperação de metais de seus óxidos com H 2 .
Saturação de hidrogênio de hidrocarbonetos alifáticos insaturados.

ligação de hidrogênio

As propriedades físicas do hidrogênio são tais que, quando combinado com um elemento eletronegativo, permite que ele forme um tipo especial de ligação com o mesmo átomo a partir de moléculas vizinhas que possuem pares de elétrons não compartilhados (por exemplo, oxigênio, nitrogênio e flúor). O exemplo mais claro em que é melhor considerar tal fenômeno é a água. Pode-se dizer que é costurado com ligações de hidrogênio, que são mais fracas que as covalentes ou iônicas, mas devido ao fato de serem muitas, elas têm influência significante sobre as propriedades da matéria. Na verdade, ligação de hidrogênio- trata-se de uma interação eletrostática que une moléculas de água em dímeros e polímeros, justificando seu alto ponto de ebulição.

Hidrogênio na composição de compostos minerais

Todos contêm um próton - um cátion de um átomo como o hidrogênio. Substância, resíduo ácido que tem um estado de oxidação maior que (-1) é chamado de composto polibásico. Ele contém vários átomos de hidrogênio, o que torna a dissociação em soluções aquosas em vários estágios. Cada próton subsequente se separa do resto do ácido cada vez mais difícil. De acordo com o teor quantitativo de hidrogênios no meio, sua acidez é determinada.

Aplicação em atividades humanas

Cilindros com uma substância, bem como recipientes com outros gases liquefeitos, por exemplo, oxigênio, têm um aparência. Eles são pintados de verde escuro com uma inscrição "Hydrogen" vermelha brilhante. O gás é bombeado para um cilindro sob uma pressão de cerca de 150 atmosferas. Propriedades físicas do hidrogênio, em particular a facilidade de estado de agregação, usado para encher balões, balões, etc. misturado com hélio.

O hidrogênio, as propriedades físicas e químicas das quais as pessoas aprenderam a usar muitos anos atrás, é atualmente usado em muitas indústrias. A maior parte vai para a produção de amônia. O hidrogênio também participa (háfnio, germânio, gálio, silício, molibdênio, tungstênio, zircônio e outros) a partir de óxidos, atuando na reação como agente redutor, cianídrico e ácido clorídrico, bem como combustíveis líquidos artificiais. A indústria alimentícia a utiliza para transformar óleos vegetais em gorduras duras.

Determinadas as propriedades químicas e o uso de hidrogênio em vários processos hidrogenação e hidrogenação de gorduras, carvões, hidrocarbonetos, óleos e óleo combustível. Com ela, eles produzem gemas, lâmpadas incandescentes, realizam forjamento e soldagem de produtos metálicos sob a influência de uma chama de oxigênio-hidrogênio.

Existem três formas isotópicas de hidrogênio: prótio deutério e trítio Sec. 1.1 e 4.1). O hidrogênio natural contém 99,985% do isótopo, os 0,015% restantes são deutério. O trítio é um isótopo radioativo instável e, portanto, ocorre apenas em pequenas quantidades. Emite partículas P e tem uma meia-vida de 12,3 anos (ver secção 1.3).

Todas as formas isotópicas de hidrogênio têm quase as mesmas propriedades químicas. No entanto, eles diferem em propriedades físicas. Na tabela. 12,4 alguns propriedades físicas hidrogênio e deutério.

Tabela 12.4. Propriedades físicas

Para cada composto de hidrogênio, há uma contraparte de deutério. O mais importante deles é o óxido de deutério, a chamada água pesada. É usado como moderador em reatores nucleares alguns tipos (ver seção 1.3).

O óxido de deutério é produzido pela eletrólise da água. À medida que a precipitação ocorre no cátodo, a água restante é enriquecida em óxido de deutério. Em média, este método permite obter a partir de 100 litros de água.

Outros compostos de deutério são geralmente preparados a partir de óxido de deutério, por exemplo

Hidrogênio atômico

O hidrogênio obtido pelos métodos laboratoriais descritos acima é em todos os casos um gás constituído por moléculas diatômicas, isto é, hidrogênio molecular. Pode ser dissociado em agomes usando qualquer fonte energia alta, como um tubo de descarga de gás contendo hidrogênio a baixa pressão. O hidrogênio também pode ser atomizado em um arco elétrico formado entre eletrodos de tungstênio. Átomos de hidrogênio se recombinam na superfície do metal, liberando tanta energia que leva a

elevando a temperatura para aproximadamente 3500°C. Este efeito é usado para soldagem a arco de hidrogênio de metais.

O hidrogênio atômico é um forte agente redutor. Reduz óxidos e cloretos metálicos a metais livres.

Hidrogênio no momento da liberação

O hidrogênio gasoso, isto é, o hidrogênio molecular, é um agente redutor pobre. Isso se deve à sua alta energia de ligação, igual a, por exemplo, quando o hidrogênio gasoso passa por uma solução contendo íons, sua redução não ocorre. No entanto, se a formação de hidrogênio ocorre diretamente em uma solução contendo íons, esses íons são imediatamente reduzidos a íons.

Para que o hidrogênio se forme diretamente em uma solução contendo íons, são adicionados ácido sulfúrico diluído e zinco. O hidrogênio formado sob tais condições é chamado de hidrogênio no momento da liberação.

Ortohidrogênio e parahidrogênio

Dois prótons em uma molécula de hidrogênio estão ligados entre si por dois prótons localizados no orbital de ligação (ver Seção 2.1). Esses dois elétrons na órbita especificada devem ter spins opostos. No entanto, ao contrário dos elétrons, dois prótons em uma molécula de hidrogênio podem ter spins paralelos ou opostos. Uma variedade de hidrogênio molecular com spins paralelos dos prótons de dois núcleos é chamada de ortohidrogênio, e uma variedade com spins opostos dos prótons de dois núcleos é chamada de parahidrogênio (Fig. 12.1).

O hidrogênio comum é uma mistura de ortohidrogênio e parahidrogênio. Em muito Baixas temperaturasé dominado pelo para-hidrogênio. À medida que a temperatura aumenta, a proporção de ortohidrogênio aumenta e, a 25°C, a mistura contém aproximadamente 75% de ortohidrogênio e 25% de parahidrogênio.

O para-hidrogênio pode ser produzido passando hidrogênio comum através de um tubo cheio de carvão e depois resfriando-o até a temperatura do ar líquido. O ortohidrogênio e o parahidrogênio são exatamente os mesmos em suas propriedades químicas, mas diferem um pouco em seus pontos de fusão e ebulição (ver Tabela 12.5).

Arroz. 12.1. Ortohidrogênio e parahidrogênio.

Tabela 12.5. Pontos de fusão e ebulição do ortohidrogênio e parahidrogênio

Os métodos industriais para obtenção de substâncias simples dependem da forma em que o elemento correspondente é encontrado na natureza, ou seja, qual pode ser a matéria-prima para sua produção. Assim, o oxigênio, que está disponível em estado livre, é obtido de maneira física - por isolamento do ar líquido. O hidrogênio, por outro lado, está quase todo na forma de compostos, portanto, para obtê-lo, métodos químicos. Em particular, reações de decomposição podem ser usadas. Uma das formas de produzir hidrogênio é a reação de decomposição da água pela corrente elétrica.

O principal método industrial para a produção de hidrogênio é a reação do metano com a água, que faz parte do gás natural. É realizado em Temperatura alta(é fácil verificar que quando o metano é passado mesmo através da água fervente, nenhuma reação ocorre):

CH 4 + 2H 2 0 \u003d CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

No laboratório, para obter substâncias simples, não são utilizadas necessariamente matérias-primas naturais, mas são escolhidas as substâncias iniciais das quais é mais fácil isolar substância necessária. Por exemplo, no laboratório, o oxigênio não é obtido do ar. O mesmo se aplica à produção de hidrogênio. Um dos métodos laboratoriais para a produção de hidrogênio, que às vezes é usado na indústria, é a decomposição da água por corrente elétrica.

O hidrogênio é geralmente produzido em laboratório pela reação do zinco com ácido clorídrico.

Na industria

1.Eletrólise de soluções aquosas de sais:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Passando vapor de água sobre coque quente a aproximadamente 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Do gás natural.

Conversão de vapor: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Oxidação catalítica de oxigênio: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Craqueamento e reforma de hidrocarbonetos no processo de refino de petróleo.

No laboratório

1.Ação de ácidos diluídos sobre metais. Para realizar tal reação, zinco e ácido clorídrico são mais frequentemente usados:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interação do cálcio com a água:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Hidrólise de hidretos:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.A ação dos álcalis no zinco ou alumínio:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Com a ajuda da eletrólise. Durante a eletrólise de soluções aquosas de álcalis ou ácidos, o hidrogênio é liberado no cátodo, por exemplo:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

Biorreator para produção de hidrogênio

Propriedades físicas

O hidrogênio gasoso pode existir em duas formas (modificações) - na forma de orto - e para-hidrogênio.

Na molécula de ortohidrogênio (mp -259,10 °C, bp -252,56 °C), os spins nucleares são direcionados da mesma maneira (paralela), enquanto no parahidrogênio (mp -259,32 °C, t bp -252,89 °C) - oposto entre si (anti-paralelo).

As formas alotrópicas de hidrogênio podem ser separadas por adsorção em carbono ativo à temperatura de nitrogênio líquido. Em temperaturas muito baixas, o equilíbrio entre ortohidrogênio e parahidrogênio é quase inteiramente deslocado para o último. A 80 K, a proporção é de aproximadamente 1:1. O para-hidrogênio dessorvido é convertido em orto-hidrogênio após aquecimento até a formação de uma mistura de equilíbrio à temperatura ambiente (orto-para: 75:25). Sem um catalisador, a transformação ocorre lentamente, o que possibilita estudar as propriedades de formas alotrópicas individuais. A molécula de hidrogênio é diatômica - H₂. Em condições normais, é um gás incolor, inodoro e insípido. O hidrogênio é o gás mais leve, sua densidade é muitas vezes menor que a do ar. Obviamente, quanto menor a massa das moléculas, maior sua velocidade na mesma temperatura. Como as mais leves, as moléculas de hidrogênio se movem mais rápido do que as moléculas de qualquer outro gás e, portanto, podem transferir calor de um corpo para outro mais rapidamente. Segue-se que o hidrogênio tem a maior condutividade térmica entre as substâncias gasosas. Sua condutividade térmica é cerca de sete vezes maior que a do ar.

Propriedades quimicas

As moléculas de hidrogênio H₂ são bastante fortes e, para que o hidrogênio reaja, muita energia deve ser gasta: H 2 \u003d 2H - 432 kJ. Portanto, em temperaturas normais, o hidrogênio reage apenas com metais muito ativos, por exemplo, com cálcio, formando hidreto de cálcio: Ca + H 2 \u003d CaH 2 e com o único não-metal - flúor, formando fluoreto de hidrogênio: F 2 + H 2 \u003d 2HF Com a maioria dos metais e não metais, o hidrogênio reage a temperatura elevada ou outras influências, como iluminação. Pode “retirar” o oxigênio de alguns óxidos, por exemplo: CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 0 A equação escrita reflete a reação de redução. As reações de redução são chamadas de processos, como resultado dos quais o oxigênio é retirado do composto; As substâncias que retiram o oxigênio são chamadas de agentes redutores (elas próprias oxidam). Além disso, outra definição dos conceitos de "oxidação" e "redução" será dada. MAS esta definição, historicamente o primeiro, mantém seu significado na atualidade, especialmente em química orgânica. A reação de redução é o oposto da reação de oxidação. Ambas as reações sempre ocorrem simultaneamente como um processo: quando uma substância é oxidada (reduzida), a outra é necessariamente reduzida (oxidada) ao mesmo tempo.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Formas com halogênios haletos de hidrogênio:

F 2 + H 2 → 2 HF, a reação prossegue com uma explosão no escuro e a qualquer temperatura, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, a reação prossegue com uma explosão, apenas na luz.

Ele interage com a fuligem em forte aquecimento:

C + 2H 2 → CH 4

Interação com metais alcalinos e alcalino-terrosos

Formas de hidrogênio com metais ativos hidretos:

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

hidretos- substâncias salgadas, sólidas, facilmente hidrolisadas:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interação com óxidos metálicos (geralmente elementos d)

Os óxidos são reduzidos a metais:

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

Hidrogenação de compostos orgânicos

Sob a ação do hidrogênio sobre hidrocarbonetos insaturados na presença de um catalisador de níquel e temperatura elevada, a reação ocorre hidrogenação:

CH 2 \u003d CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

O hidrogênio reduz os aldeídos a álcoois:

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

Geoquímica do Hidrogênio

Hidrogênio - básico material de construção universo. Este é o elemento mais comum, e todos os elementos são formados a partir dele como resultado de reações termonucleares e nucleares.

O hidrogênio livre H 2 é relativamente raro em gases terrestres, mas na forma de água tem um papel excepcionalmente importante nos processos geoquímicos.

O hidrogênio pode estar presente em minerais na forma de íon amônio, íon hidroxila e água cristalina.

Na atmosfera, o hidrogênio é continuamente produzido como resultado da decomposição da água pela radiação solar. Ele migra para a atmosfera superior e escapa para o espaço.

Inscrição

Energia de hidrogênio

O hidrogênio atômico é usado para soldagem de hidrogênio atômico.

Na indústria alimentícia, o hidrogênio é registrado como aditivo alimentar. E949 como gás de embalagem.

Características de circulação

O hidrogênio, quando misturado ao ar, forma uma mistura explosiva - o chamado gás detonante. Este gás é mais explosivo quando a proporção de volume de hidrogênio e oxigênio é de 2:1, ou hidrogênio e ar é de aproximadamente 2:5, pois o ar contém aproximadamente 21% de oxigênio. O hidrogênio também é inflamável. O hidrogênio líquido pode causar queimaduras graves se entrar em contato com a pele.

Concentrações explosivas de hidrogênio com oxigênio ocorrem de 4% a 96% em volume. Quando misturado com ar de 4% a 75 (74)% em volume.

Uso de hidrogênio

Na indústria química, o hidrogênio é usado na produção de amônia, sabão e plásticos. Na indústria alimentícia, a margarina é feita a partir de óleos vegetais líquidos usando hidrogênio. O hidrogênio é muito leve e sempre sobe no ar. Uma vez que os dirigíveis e Balões preenchido com hidrogênio. Mas na década de 30. século 20 houve vários acidentes terríveis quando as aeronaves explodiram e queimaram. Hoje em dia, os dirigíveis são preenchidos com gás hélio. O hidrogênio também é usado como combustível de foguete. Um dia, o hidrogênio poderá ser amplamente utilizado como combustível para carros e caminhões. Motores a hidrogênio não poluem meio Ambiente e emitem apenas vapor d'água (no entanto, a própria produção de hidrogênio leva a alguma poluição ambiental). Nosso Sol é composto principalmente de hidrogênio. O calor e a luz solar são o resultado da liberação de energia nuclear durante a fusão dos núcleos de hidrogênio.

Uso de hidrogênio como combustível (eficiência econômica)

A característica mais importante das substâncias utilizadas como combustível é o seu calor de combustão. Do curso de química geral, sabe-se que a reação da interação do hidrogênio com o oxigênio ocorre com a liberação de calor. Se tomarmos 1 mol H 2 (2 g) e 0,5 mol O 2 (16 g) a condições padrão e iniciar uma reação, então de acordo com a equação

H 2 + 0,5 O 2 \u003d H 2 O

após a conclusão da reação, 1 mol de H 2 O (18 g) é formado com uma liberação de energia de 285,8 kJ / mol (para comparação: o calor de combustão do acetileno é 1300 kJ / mol, propano - 2200 kJ / mol) . 1 m³ de hidrogênio pesa 89,8 g (44,9 mol). Portanto, para obter 1 m³ de hidrogênio, serão gastos 12.832,4 kJ de energia. Levando em conta o fato de que 1 kWh = 3600 kJ, obtemos 3,56 kWh de eletricidade. Conhecendo a tarifa de 1 kWh de eletricidade e o custo de 1 m³ de gás, podemos concluir que é aconselhável mudar para o combustível de hidrogénio.

Por exemplo, um modelo experimental Honda FCX de 3ª geração com um tanque de hidrogênio de 156 litros (contendo 3,12 kg de hidrogênio a uma pressão de 25 MPa) percorre 355 km. Assim, 123,8 kWh são obtidos a partir de 3,12 kg H2. Aos 100 km, o consumo de energia será de 36,97 kWh. Conhecendo o custo da eletricidade, o custo do gás ou da gasolina, o consumo de um carro por 100 km, é fácil calcular o efeito econômico negativo da troca de carros para o combustível de hidrogênio. Digamos (Rússia 2008), 10 centavos por kWh de eletricidade leva ao fato de que 1 m³ de hidrogênio leva a um preço de 35,6 centavos, e levando em conta a eficiência da decomposição da água de 40-45 centavos, a mesma quantidade de kWh da queima de gasolina custa 12.832,4 kJ/42.000 kJ/0,7 kg/l*80 centavos/l=34 centavos a preço de varejo, enquanto para o hidrogênio calculamos a variante ideal, sem levar em consideração transporte, depreciação de equipamentos, etc. energia de combustão de cerca de 39 MJ por m³, o resultado será duas a quatro vezes menor devido à diferença de preço (1m³ para a Ucrânia custa US$ 179 e para a Europa US$ 350). Ou seja, a quantidade equivalente de metano custará de 10 a 20 centavos.

No entanto, não devemos esquecer que quando queimamos hidrogênio, obtemos água limpa de onde foi extraído. Ou seja, temos uma fonte renovável lojista energia sem danos ao meio ambiente, ao contrário do gás ou da gasolina, que são fontes primárias de energia.

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O hidrogênio é o primeiro elemento da Tabela Periódica dos Elementos Químicos, tem número atômico 1 e massa atômica relativa de 1,0079. Quais são as propriedades físicas do hidrogênio?

Propriedades físicas do hidrogênio

Traduzido do latim, hidrogênio significa "dar à luz a água". Em 1766, o cientista inglês G. Cavendish coletou "ar combustível" liberado pela ação de ácidos sobre metais e começou a investigar suas propriedades. Em 1787, A. Lavoisier definiu esse "ar combustível" como um novo elemento químico que faz parte da água.

Arroz. 1. A. Lavoisier.

O hidrogênio possui 2 isótopos estáveis - prótio e deutério, além de radioativo - trítio, cuja quantidade em nosso planeta é muito pequena.

O hidrogênio é o elemento mais abundante no espaço. O sol e a maioria das estrelas têm o hidrogênio como seu elemento principal. Além disso, esse gás faz parte da água, do petróleo, do gás natural. O conteúdo total de hidrogênio na Terra é de 1%.

Arroz. 2. A fórmula do hidrogênio.

Um átomo desta substância contém um núcleo e um elétron. Quando o hidrogênio perde um elétron, ele forma um íon carregado positivamente, ou seja, apresenta propriedades metálicas. Mas também um átomo de hidrogênio é capaz não apenas de perder, mas também de ganhar um elétron. Nisso é muito semelhante aos halogênios. Portanto, o hidrogênio no sistema Periódico pertence aos grupos I e VII. As propriedades não metálicas do hidrogênio são expressas em maior extensão.

A molécula de hidrogênio consiste em dois átomos ligados por uma ligação covalente

O hidrogênio em condições normais é um elemento gasoso incolor, inodoro e insípido. É 14 vezes mais leve que o ar e tem um ponto de ebulição de -252,8 graus Celsius.

Tabela "Propriedades físicas do hidrogênio"

Além das propriedades físicas, o hidrogênio também possui várias propriedades químicas. o hidrogênio, quando aquecido ou sob a ação de catalisadores, reage com metais e não metais, enxofre, selênio, telúrio, podendo também reduzir óxidos de muitos metais.

Obtendo hidrogênio

A partir de formas industriais produção de hidrogênio (exceto para a eletrólise de soluções aquosas de sal), o seguinte deve ser observado:

passando vapor de água através de carvão quente a uma temperatura de 1000 graus:

conversão de metano com vapor de água a uma temperatura de 900 graus:

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

Arroz. 3. Conversão a vapor do metano.

decomposição do metano na presença de um catalisador (Ni) a uma temperatura de 400 graus: