Hidrogênio - características, propriedades físicas e químicas. Hidrogênio. Propriedades, obtenção, aplicação. Referência do histórico

Hidrogênio- o primeiro elemento químico da Tabela Periódica elementos químicos DI. Mendeleiev. O elemento químico hidrogênio está localizado no primeiro grupo, o subgrupo principal, o primeiro período do Sistema Periódico.

Massa atômica relativa do hidrogênio = 1.

O hidrogênio tem a estrutura mais simples de um átomo, consiste em um único elétron, localizado no espaço nuclear. O núcleo de um átomo de hidrogênio consiste em um próton.

átomo de hidrogênio, em reações químicas pode tanto doar quanto ganhar um elétron, formando dois tipos de íons:

H0 + 1° → H1− H0 – 1° → H1+.

Hidrogênioé o elemento mais abundante do universo. É responsável por cerca de 88,6% de todos os átomos (cerca de 11,3% são átomos de hélio, a proporção de todos os outros elementos combinados é de cerca de 0,1%). Assim, o hidrogênio é o principal componente estrelas e gás interestelar. No espaço interestelar, esse elemento existe na forma de moléculas, átomos e íons individuais e pode formar nuvens moleculares que variam significativamente em tamanho, densidade e temperatura.

Fração de massa de hidrogênio em crosta terrestreé 1%.É o nono elemento mais comum. A importância do hidrogênio nos processos químicos que ocorrem na Terra é quase tão grande quanto a do oxigênio. Ao contrário do oxigênio, que existe na Terra tanto no estado ligado quanto no estado livre, praticamente todo o hidrogênio na Terra está na forma de compostos; apenas uma quantidade muito pequena de hidrogênio na forma de uma substância simples é encontrada na atmosfera (0,00005% em volume para ar seco).

O hidrogênio está presente em quase todos matéria orgânica e está presente em todas as células vivas.

Propriedades físicas do hidrogênio

Uma substância simples formada pelo elemento químico hidrogênio tem estrutura molecular. A sua composição corresponde à fórmula H2. Como um elemento químico, uma substância simples também é chamada de hidrogênio.

HidrogênioÉ um gás incolor, inodoro e insípido, praticamente insolúvel em água. Em temperatura ambiente e normal pressão atmosférica a solubilidade é de 18,8 ml de gás por 1 litro de água.

Hidrogênio- o gás mais leve, sua densidade é de 0,08987 g/l. Para comparação: a densidade do ar é de 1,3 g/l.

O hidrogênio pode se dissolver em metais por exemplo, até 850 volumes de hidrogênio podem se dissolver em um volume de paládio. Devido ao seu tamanho molecular extremamente pequeno, o hidrogênio é capaz de se difundir através de muitos materiais.

Assim como outros gases, o hidrogênio Baixas temperaturas condensa em um líquido transparente incolor, isso ocorre a uma temperatura de - 252,8°C. Quando a temperatura atinge -259,2°C, o hidrogênio cristaliza na forma de cristais brancos, semelhantes à neve.

Ao contrário do oxigênio, o hidrogênio não apresenta alotropia.

Aplicação de hidrogênio

O hidrogênio é usado em várias indústrias indústria. Muito hidrogênio vai para a produção de amônia (NH3). Obtido da amônia fertilizantes nitrogenados, fibras sintéticas e plásticos, drogas.

Na indústria alimentícia, o hidrogênio é utilizado na produção de margarina, que contém gorduras duras. Para obtê-los de gorduras líquidas, o hidrogênio é passado por eles.

Quando o hidrogênio queima em oxigênio, a temperatura da chama é de aproximadamente 2500°C. A esta temperatura, os metais refratários podem ser fundidos e soldados. Assim, o hidrogênio é usado na soldagem.

Uma mistura de hidrogênio líquido e oxigênio é usada como combustível de foguete.

Atualmente, vários países iniciaram pesquisas sobre a substituição de fontes de energia não renováveis (petróleo, gás, carvão) por hidrogênio. Quando o hidrogênio é queimado em oxigênio, um produto ecologicamente correto é formado - água e não dióxido de carbono, que causa o efeito estufa.

Cientistas sugerem que em meados do século XXI deve ser iniciado produção em massa carros a hidrogênio. Ampla aplicação eles encontrarão células de combustível domésticas, cujo trabalho também se baseia na oxidação do hidrogênio com o oxigênio.

No final do século XIX e início do século XX, no alvorecer da era da aeronáutica, cheio de hidrogênio Balões, dirigíveis e balões, pois é muito mais leve que o ar. No entanto, a era dos dirigíveis começou a desaparecer rapidamente no passado após o desastre que aconteceu com o dirigível Hindenburg. 06 de maio de 1937 dirigível, cheio de hidrogênio, pegou fogo, resultando na morte de dezenas de seus passageiros.

O hidrogênio é extremamente explosivo em certas proporções com o oxigênio. O não cumprimento das normas de segurança levou à ignição e explosão do dirigível.

Hidrogênio- o primeiro elemento químico da Tabela Periódica de elementos químicos D.I. Mendeleiev
O hidrogênio está localizado no grupo I, subgrupo principal, período 1 do Sistema Periódico
Valência de hidrogênio em compostos - I
Hidrogênio Gás incolor, inodoro e insípido, praticamente insolúvel em água
Hidrogênio- o gás mais leve
Hidrogênio líquido e sólido é produzido em baixas temperaturas
O hidrogênio pode se dissolver em metais
As aplicações de hidrogênio são variadas

HIDROGÊNIO, N (lat. hidrogênio; a. hidrogênio; n. Wasserstoff; f. hidrogênio; i. hidrogênio), - um elemento químico sistema periódico elementos de Mendeleev, que são atribuídos simultaneamente aos grupos I e VII, número atômico 1, massa atômica 1,0079. O hidrogênio natural tem isótopos estáveis - prótio (1 H), deutério (2 H, ou D) e radioativo - trítio (3 H, ou T). Para compostos naturais, a razão média D/Н = (158±2).10 -6 O conteúdo de equilíbrio de 3 Н na Terra é ~5,10 27 átomos.

Propriedades físicas do hidrogênio

O hidrogênio foi descrito pela primeira vez em 1766 pelo cientista inglês G. Cavendish. Em condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. Na natureza, em estado livre, está na forma de moléculas de H 2 . A energia de dissociação da molécula de H 2 é 4,776 eV; o potencial de ionização do átomo de hidrogênio é 13,595 eV. O hidrogênio é a substância mais leve de todas conhecidas, a 0°C e 0,1 MPa 0,0899 kg/m 3; ponto de ebulição - 252,6 ° C, ponto de fusão - 259,1 ° C; parâmetros críticos: t - 240 ° C, pressão 1,28 MPa, densidade 31,2 kg / m 3. O mais termicamente condutor de todos os gases - 0,174 W / (m.K) a 0 ° C e 1 MPa, calor específico 14.208,10 3 J(kg.K).

Propriedades químicas do hidrogênio

O hidrogênio líquido é muito leve (densidade a -253°C 70,8 kg/m 3) e fluido (a -253°C é 13,8 cP). Na maioria dos compostos, o hidrogênio exibe um estado de oxidação de +1 (semelhante aos metais alcalinos), menos frequentemente -1 (semelhante aos hidretos metálicos). Em condições normais, o hidrogênio molecular é inativo; solubilidade em água a 20°C e 1 MPa 0,0182 ml/g; bem solúvel em metais - Ni, Pt, Pd, etc. Forma água com oxigênio com liberação de calor de 143,3 MJ/kg (a 25°C e 0,1 MPa); a 550°C e acima, a reação é acompanhada por uma explosão. Ao interagir com flúor e cloro, as reações também ocorrem com uma explosão. Os principais compostos de hidrogênio: H 2 O, amônia NH 3, sulfeto de hidrogênio H 2 S, CH 4, hidretos de metal e halogênio CaH 2, HBr, Hl, bem como compostos orgânicos C 2 H 4, HCHO, CH 3 OH, etc. .

Hidrogênio na natureza

O hidrogênio é um elemento difundido na natureza, seu conteúdo é de 1% (em massa). O principal reservatório de hidrogênio na Terra é a água (11,19%, em massa). O hidrogênio é um dos principais componentes de todos os compostos orgânicos naturais. Está presente em estado livre em áreas vulcânicas e outras gases naturais, em (0,0001%, em número de átomos). Compõe a maior parte da massa do Sol, estrelas, gás interestelar, nebulosas de gás. Está presente nas atmosferas dos planetas na forma de H 2 , CH 4 , NH 3 , H 2 O, CH, NHOH, etc. fluxos).

Obtenção e uso de hidrogênio

As matérias-primas para a produção industrial de hidrogênio são gases refinados, produtos de gaseificação, etc. Os principais métodos para a produção de hidrogênio são a reação de hidrocarbonetos com vapor de água, oxidação incompleta de hidrocarbonetos, conversão de óxido, eletrólise da água. O hidrogênio é usado para produzir amônia, álcoois, gasolina sintética, de ácido clorídrico, hidrotratamento de derivados de petróleo, corte de metais por chama de hidrogênio-oxigênio.

O hidrogênio é um combustível gasoso promissor. O deutério e o trítio encontraram aplicação na engenharia de energia nuclear.

Vamos dar uma olhada no que é o hidrogênio. As propriedades químicas e a produção deste não metal são estudadas no curso de química inorgânica na escola. É este elemento que encabeça o sistema periódico de Mendeleev e, portanto, merece uma descrição detalhada.

Informações breves sobre como abrir um elemento

Antes de olhar para o físico e Propriedades quimicas hidrogênio, vamos descobrir como esse importante elemento foi encontrado.

Químicos que trabalharam nos séculos XVI e XVII mencionaram repetidamente em seus escritos o gás combustível que é liberado quando os ácidos são expostos a metais ativos. Na segunda metade do século XVIII, G. Cavendish conseguiu coletar e analisar esse gás, dando-lhe o nome de "gás combustível".

As propriedades físicas e químicas do hidrogênio naquela época não foram estudadas. Somente no final do século XVIII, A. Lavoisier conseguiu estabelecer por análise que esse gás pode ser obtido pela análise da água. Um pouco mais tarde, ele começou a chamar o novo elemento de hidrogênio, que significa "dar à luz a água". O hidrogênio deve seu nome russo moderno a M.F. Solovyov.

Estar na natureza

As propriedades químicas do hidrogênio só podem ser analisadas com base em sua abundância na natureza. Este elemento está presente na hidro e litosfera, e também faz parte dos minerais: naturais e gás associado, turfa, óleo, carvão, xisto betuminoso. É difícil imaginar um adulto que não saiba que o hidrogênio é parte integrante da água.

Além disso, esse não-metal é encontrado em organismos animais na forma de ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos e gorduras. Em nosso planeta, esse elemento é encontrado em forma livre bastante raro, talvez apenas em gás natural e vulcânico.

Na forma de plasma, o hidrogênio compõe cerca de metade da massa das estrelas e do Sol, e também faz parte do gás interestelar. Por exemplo, na forma livre, assim como na forma de metano, amônia, esse não-metal está presente em cometas e até em alguns planetas.

Propriedades físicas

Antes de considerar as propriedades químicas do hidrogênio, notamos que em condições normaisé uma substância gasosa mais leve que o ar, possuindo várias formas isotópicas. É quase insolúvel em água e tem uma alta condutividade térmica. Protium, que tem um número de massa de 1, é considerado sua forma mais leve. O trítio, que tem propriedades radioativas, é formado na natureza a partir do nitrogênio atmosférico quando os neurônios o expõem aos raios UV.

Características da estrutura da molécula

Para considerar as propriedades químicas do hidrogênio, as reações características dele, vamos nos deter nas características de sua estrutura. Esta molécula diatômica tem uma ligação química não polar covalente. A formação de hidrogênio atômico é possível quando metais ativos interagem com soluções ácidas. Mas nesta forma, esse não-metal é capaz de existir apenas por um período de tempo insignificante, quase imediatamente se recombina em uma forma molecular.

Propriedades quimicas

Considere as propriedades químicas do hidrogênio. Na maioria dos compostos que este elemento químico forma, apresenta um estado de oxidação de +1, o que o torna semelhante aos metais ativos (alcalinos). As principais propriedades químicas do hidrogênio, caracterizando-o como um metal:

interação com oxigênio para formar água;
reação com halogênios, acompanhada pela formação de haleto de hidrogênio;
produção de sulfeto de hidrogênio quando combinado com enxofre.

Abaixo está a equação da reação que caracteriza as propriedades químicas do hidrogênio. Chamamos a atenção para o fato de que, como não metal (com estado de oxidação -1), atua apenas na reação com metais ativos, formando com eles os hidretos correspondentes.

O hidrogênio à temperatura normal não interage ativamente com outras substâncias; portanto, a maioria das reações é realizada somente após o pré-aquecimento.

Detenhamo-nos com mais detalhes em algumas interações químicas do elemento que encabeça o sistema periódico de elementos químicos de Mendeleev.

A reação de formação de água é acompanhada pela liberação de 285,937 kJ de energia. No temperatura elevada(mais de 550 graus Celsius) Este processo acompanhado por uma forte explosão.

Entre as propriedades químicas do hidrogênio gasoso que encontraram aplicação significativa na indústria, sua interação com óxidos metálicos é de interesse. É por hidrogenação catalítica na indústria moderna que os óxidos metálicos são processados, por exemplo, o metal puro é isolado da incrustação de ferro (óxido de ferro misto). Este método permite que você lidere processamento eficiente ferro velho.

A síntese de amônia, que envolve a interação do hidrogênio com o nitrogênio atmosférico, também está em demanda na indústria química moderna. Entre as condições para a ocorrência dessa interação química, destacam-se a pressão e a temperatura.

Conclusão

É o hidrogênio que está inativo químico em condições normais. À medida que a temperatura aumenta, sua atividade aumenta significativamente. Esta substância está em demanda na síntese orgânica. Por exemplo, por hidrogenação, as cetonas podem ser reduzidas a álcoois secundários e os aldeídos podem ser convertidos em álcoois primários. Além disso, por hidrogenação, hidrocarbonetos insaturados das classes etileno e acetileno podem ser convertidos em compostos saturados da série metano. O hidrogênio é justamente considerado uma substância simples em demanda na produção química moderna.

Propriedades químicas do hidrogênio

Sob condições normais, o hidrogênio molecular é relativamente inativo, combinando-se diretamente apenas com os não-metais mais ativos (com flúor, e na luz também com cloro). No entanto, quando aquecido, reage com muitos elementos.

O hidrogênio reage com substâncias simples e complexas:

- Interação do hidrogênio com metais leva à formação de substâncias complexas - hidretos, nas fórmulas químicas das quais o átomo de metal sempre vem primeiro:

No Temperatura alta O hidrogênio reage diretamente com alguns metais(alcalinos, alcalinos terrosos e outros), formando substâncias cristalinas- hidretos metálicos (Li H, Na H, KH, CaH 2, etc.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Os hidretos metálicos são facilmente decompostos pela água com a formação do álcali e hidrogênio correspondentes:

Sa H 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

- Quando o hidrogênio interage com não-metais compostos voláteis de hidrogênio são formados. NO Fórmula química composto de hidrogênio volátil, o átomo de hidrogênio pode estar em primeiro ou em segundo lugar, dependendo da localização no PSCE (veja a placa no slide):

1). Com oxigênio O hidrogênio forma a água:

Vídeo "Combustão de hidrogênio"

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q

Em temperaturas normais, a reação ocorre extremamente lentamente, acima de 550 ° C - com uma explosão (uma mistura de 2 volumes de H 2 e 1 volume de O 2 é chamada gás explosivo) .

Vídeo "Explosão de gás explosivo"

Vídeo "Preparação e explosão de uma mistura explosiva"

2). Com halogênios O hidrogênio forma haletos de hidrogênio, por exemplo:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl

O hidrogênio 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.

3). Com nitrogênio O hidrogênio reage com a formação de amônia:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

apenas em um catalisador e em temperaturas e pressões elevadas.

quatro). Quando aquecido, o hidrogênio reage vigorosamente com enxofre:

H 2 + S \u003d H 2 S (sulfeto de hidrogênio),

muito mais difícil com selênio e telúrio.

5). com carbono puro O hidrogênio pode reagir sem um catalisador apenas em altas temperaturas:

2H 2 + C (amorfo) = CH 4 (metano)

- O hidrogênio entra em uma reação de substituição com óxidos metálicos , enquanto a água é formada nos produtos e o metal é reduzido. Hidrogênio - exibe as propriedades de um agente redutor:

O hidrogênio é usado para a recuperação de muitos metais, uma vez que retira oxigênio de seus óxidos:

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O, etc.

Aplicação de hidrogênio

Vídeo "Uso do hidrogênio"

Atualmente, o hidrogênio é produzido em grandes quantidades. Altamente a maioriaé usado na síntese de amônia, na hidrogenação de gorduras e na hidrogenação de carvão, óleos e hidrocarbonetos. Além disso, o hidrogênio é utilizado para a síntese de ácido clorídrico, álcool metílico, ácido cianídrico, na soldagem e forjamento de metais, bem como na fabricação de lâmpadas incandescentes e pedras preciosas. O hidrogênio passa a ser vendido em cilindros sob pressão acima de 150 atm. Eles são pintados de verde escuro e são fornecidos com uma inscrição vermelha "Hydrogen".

O hidrogênio é usado para converter gorduras líquidas em gorduras sólidas (hidrogenação), para produzir combustíveis líquidos pela hidrogenação de carvão e óleo combustível. Na metalurgia, o hidrogênio é usado como agente redutor de óxidos ou cloretos para produzir metais e não metais (germânio, silício, gálio, zircônio, háfnio, molibdênio, tungstênio, etc.).

A aplicação prática do hidrogênio é diversa: geralmente é preenchido com balões, na indústria química serve como matéria-prima para a produção de muitos produtos muito importantes (amônia, etc.), na indústria alimentícia - para a produção de óleos vegetais gorduras sólidas, etc. A alta temperatura (até 2600 °C) resultante da combustão de hidrogênio em oxigênio é usada para derreter metais refratários, quartzo, etc. O hidrogênio líquido é um dos combustíveis de jato mais eficientes. O consumo mundial anual de hidrogênio ultrapassa 1 milhão de toneladas.

SIMULADORES

Nº 2. Hidrogênio

TAREFAS PARA REFORÇO

Tarefa número 1
Faça as equações para as reações da interação do hidrogênio com as seguintes substâncias: F 2 , Ca, Al 2 O 3 , óxido de mercúrio (II), óxido de tungstênio (VI). Nomeie os produtos da reação, indique os tipos de reações.

Tarefa número 2
Execute as transformações de acordo com o esquema:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Tarefa número 3.
Calcule a massa de água que pode ser obtida pela queima de 8 g de hidrogênio?

HIDROGÊNIO (Latim Hidrogênio), H, elemento químico do grupo VII de forma abreviada (Grupo 1 forma longa) do sistema periódico; número atômico 1, massa atômica 1,00794; metalóide. Existem dois isótopos estáveis na natureza: prótio 1 H (99,985% em peso) e deutério D, ou 2 H (0,015%). O trítio radioativo 3 H produzido artificialmente, ou T (ß-decay, T 1/2 12,26 anos), é formado na natureza em quantidades desprezíveis nas camadas superiores da atmosfera como resultado da interação da radiação cósmica principalmente com N e O isótopos radioativos extremamente instáveis obtidos artificialmente 4 H, 5 H, 6 H.

Referência do histórico. O hidrogênio foi estudado pela primeira vez em 1766 por G. Cavendish e nomeado por ele "ar combustível". Em 1787, A. Lavoisier mostrou que esse gás forma água durante a combustão, incluiu-o na lista de elementos químicos e propôs o nome hidrogênio (do grego?δωρ - água e γενν?ω - parir).

distribuição na natureza. Conteúdo de hidrogênio em ar atmosférico 3,5-10% em peso, na crosta terrestre 1%. O principal reservatório de hidrogênio na Terra é a água (11,19% de hidrogênio em massa). O hidrogênio é um dos elementos biogênicos, faz parte dos compostos que formam carvões, petróleo, gases combustíveis naturais, muitos minerais, etc. No espaço próximo à Terra, o hidrogênio na forma de uma corrente de prótons forma o cinturão de radiação interno da Terra . O hidrogênio é o elemento mais abundante no espaço; na forma de plasma, compõe cerca de 70% da massa do Sol e das estrelas, a parte principal do meio interestelar e das nebulosas gasosas, está presente na atmosfera de vários planetas na forma de H 2 , CH 4, NH3, H2O, etc.

Propriedades. A configuração da camada eletrônica do átomo de hidrogênio é 1s 1 ; em compostos exibe estados de oxidação +1 e -1. Electronegatividade de acordo com Pauling 2.1; raios (pm): atómico 46, covalente 30, van der Waals 120; energia de ionização H° → H + 1312,0 kJ/mol. No estado livre, o hidrogênio forma uma molécula diatômica de H 2 , a distância internuclear é de 76 pm e a energia de dissociação é de 432,1 kJ/mol (0 K). Dependendo da orientação mútua dos spins nucleares, existem orto-hidrogênio (spins paralelos) e para-hidrogênio (spins antiparalelos), que diferem nas propriedades magnéticas, ópticas e térmicas e geralmente estão contidos em uma proporção de 3:1 ; a conversão de para-hidrogênio em orto-hidrogênio consome 1418 J/mol de energia.

O hidrogênio é um gás incolor, insípido e inodoro; t PL -259,19 ° С, t KIP -252,77 ° С. O hidrogênio é o mais leve e termicamente condutor de todos os gases: a 273 K, a densidade é de 0,0899 kg/m 3, a condutividade térmica é de 0,1815 W/(m K). Não se dissolve em água; dissolve bem em muitos metais (melhor em Pd - até 850% em volume); difunde através de muitos materiais (por exemplo, aço). Queima no ar, forma misturas explosivas. O hidrogênio sólido cristaliza em uma rede hexagonal; a uma pressão acima de 10 4 MPa, é possível uma transição de fase com a formação de uma estrutura constituída de átomos e possuindo propriedades metálicas - o chamado hidrogênio metálico.

O hidrogênio forma compostos com muitos elementos. Com oxigênio forma água (em temperaturas acima de 550 ° C, a reação é acompanhada por uma explosão), com nitrogênio - amônia, com halogênios - haletos de hidrogênio, com metais, intermetálicos e também com muitos não metais (por exemplo, calcogênios ) - hidretos, com carbono - hidrocarbonetos. As reações com o CO são de importância prática (ver Gás de síntese). O hidrogênio reduz óxidos e haletos de muitos metais a metais, hidrocarbonetos insaturados a saturados (veja Hidrogenação). O núcleo do átomo de hidrogênio - próton H + - determina propriedades ácidas conexões. Em soluções aquosas, H + forma um íon hidroxônio H 3 O + com uma molécula de água. Na composição das moléculas de vários compostos, o hidrogênio tende a formar ligação de hidrogênio com muitos elementos eletronegativos.

Inscrição. O hidrogênio gasoso é utilizado na síntese industrial de amônia, ácido clorídrico, metanol e álcoois superiores, combustíveis líquidos sintéticos, etc., para a hidrogenação de gorduras e outros compostos orgânicos; no refino de petróleo - para hidrotratamento e hidrocraqueamento de frações de petróleo; na metalurgia - para obter metais (por exemplo, W, Mo, Re de seus óxidos e fluoretos), criando um ambiente protetor no processamento de metais e ligas; na produção de produtos de vidro de quartzo usando uma chama hidrogênio-oxigênio, para soldagem atômica-hidrogênio de aços e ligas refratárias, etc., como gás de elevação para balões. O hidrogênio líquido é um combustível na tecnologia de foguetes e espaciais; também usado como refrigerante.

Sobre os principais métodos de obtenção, bem como sobre o armazenamento, transporte e uso do hidrogênio como transportador de energia, ver Energia de Hidrogênio.

Aceso. veja em st. Energia de hidrogênio.