L'idrogeno H è un elemento chimico, uno dei più comuni nel nostro Universo. La massa dell'idrogeno come elemento nella composizione delle sostanze è il 75% del contenuto totale di atomi di un altro tipo. È incluso nella connessione 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. Mendeleev.
Scoperta ed esplorazione
I primi riferimenti all'idrogeno negli scritti di Paracelso risalgono al XVI secolo. Ma il suo isolamento dalla miscela gassosa dell'aria e lo studio delle proprietà combustibili furono già effettuati nel XVII secolo dallo scienziato Lemery. L'idrogeno è stato studiato a fondo dal chimico, fisico e naturalista inglese Henry Cavendish, 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 hanno lavorato con lui, in particolare Lavoisier, che lo ha definito "dare alla luce l'acqua".
Caratteristica in base alla posizione nel PSHE
Elemento che si apretavola periodica di D. I. Mendeleev, è l'idrogeno. Le proprietà fisiche e chimiche dell'atomo mostrano una certa dualità, poiché l'idrogeno è assegnato contemporaneamente al primo gruppo, il sottogruppo principale, se si comporta come un metallo e cede un solo elettrone nel processo di una reazione chimica, e al settimo - nel caso di riempimento completo del guscio di valenza, cioè di ricezione di particella negativa, che lo caratterizza come simile agli alogeni.
Caratteristiche della struttura elettronica dell'elemento
Le proprietà dell'atomo di idrogeno, le sostanze complesse di cui fa parte e la sostanza più semplice H2 sono determinate principalmente dalla configurazione elettronica dell'idrogeno. La particella ha un elettrone con Z=(-1), che ruota nella sua orbita attorno al nucleo, contenente un protone di massa unitaria e carica positiva (+1). La sua configurazione elettronica è scritta come 1s1, che significa la presenza di una particella negativa nel primo e unico orbitale s per l'idrogeno.
Quando un elettrone viene staccato o ceduto e un atomo di questo elemento ha una proprietà tale da essere correlato ai metalli, si ottiene un catione. Infatti, lo ione idrogeno è una particella elementare positiva. Pertanto, un idrogeno privo di elettrone è semplicemente chiamato protone.
Proprietà fisiche
Se descriviamo brevemente le proprietà fisiche dell'idrogeno, allora è un gas incolore, leggermente solubile con una massa atomica relativa pari a 2, 14,5 volte più leggero dell'aria, con una temperaturaliquefazione di -252,8 gradi Celsius.
Puoi facilmente vedere dall'esperienza che H2 è il più semplice. Per fare ciò, è sufficiente riempire tre palline con varie sostanze - idrogeno, anidride carbonica, aria ordinaria - e rilasciarle contemporaneamente dalla tua mano. Quello pieno di CO2 raggiungerà il suolo più velocemente di chiunque altro, dopo di esso scenderà la miscela d'aria gonfiata e quello contenente H2 salirà al soffitto.
La piccola massa e le dimensioni delle particelle di idrogeno giustificano la sua capacità di penetrare attraverso varie sostanze. Sull'esempio della stessa palla, questo è facile da verificare, in un paio di giorni si sgonfia da sola, poiché il gas passerà semplicemente attraverso la gomma. Inoltre, l'idrogeno può 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 il suo isolamento mediante il metodo dello spostamento dell'acqua. Le proprietà fisiche dell'idrogeno (la tabella seguente contiene i parametri principali) determinano l'ambito della sua applicazione e i metodi di produzione.
| Parametro di un atomo o molecola di una sostanza semplice | Significato |
| Massa atomica (massa molare) | 1.008 g/mol |
| Configurazione elettronica | 1s1 |
| Reticolo di cristallo | Esagonale |
| Conducibilità termica | (300 K) 0,1815 W/(m K) |
| Densità al n. y. | 0, 08987 g/l |
| Punto di ebollizione | -252, 76 °C |
| Potere calorifico specifico | 120, 9 106 J/kg |
| Punto di fusione | -259, 2 °C |
| Idrosolubilità | 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 unità massa. Esempi di atomi che hanno questa proprietà sono ossigeno, carbonio, cloro, bromo e altri, compresi quelli radioattivi.
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 cui sono incluse. Quindi, c'è acqua ordinaria e deuterata, contenente nella sua composizione invece di un atomo di idrogeno con un singolo protone, deuterio 2H - il suo isotopo con due particelle elementari: positiva e non carica. Questo isotopo è due volte più pesante dell'idrogeno ordinario, il che spiega la differenza fondamentale nelle proprietà dei composti che compongono. In natura, il deuterio è 3200 volte più raro dell'idrogeno. Il terzo rappresentante è il trizio 3Н, nel nucleo ha due neutroni e un protone.
Metodi per ottenere e selezionare
I metodi di laboratorio e industriali per la produzione di idrogeno sono molto diversi. Sì, in piccole quantitàil gas viene prodotto principalmente attraverso reazioni che coinvolgono minerali, mentre la produzione su larga scala utilizza in misura maggiore la sintesi organica.
In laboratorio vengono utilizzate le seguenti interazioni chimiche:
- La reazione di metalli alcalini e alcalino terrosi con l'acqua per formare alcali e il gas desiderato.
- Elettrolisi di una soluzione acquosa di elettrolita, H2↑ viene rilasciata all'anodo e ossigeno al catodo.
- Decomposizione degli idruri di metalli alcalini con acqua, i prodotti sono alcalini e, di conseguenza, gas H2↑.
- Reazione degli acidi diluiti con i metalli per formare sali e H2↑.
- L'azione degli alcali su silicio, alluminio e zinco favorisce anche il rilascio di idrogeno parallelamente alla formazione di sali complessi.
Negli interessi industriali, il gas si ottiene con metodi quali:
- Decomposizione termica del metano in presenza di un catalizzatore nelle sue sostanze semplici costituenti (350 gradi raggiungono il valore di un indicatore come la temperatura) - idrogeno H2↑ e carbonio C.
- Il passaggio di acqua vaporosa attraverso il coke a 1000 gradi Celsius per formare anidride carbonica CO2 e H2↑ (il metodo più comune).
- Conversione di metano gassoso su catalizzatore di nichel a temperature che raggiungono gli 800 gradi.
- L'idrogeno è un sottoprodotto dell'elettrolisi di soluzioni acquose di cloruri di potassio o di sodio.
Chimicainterazioni: generalità
Le proprietà fisiche dell'idrogeno spiegano ampiamente il suo comportamento nei processi di reazione con l'uno o l' altro composto. La valenza dell'idrogeno è 1, poiché si trova nel primo gruppo della tavola periodica e il grado di ossidazione ne indica uno diverso. In tutti i composti, ad eccezione degli idruri, idrogeno in s.o.=(1+), in molecole come ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Una molecola di idrogeno gassoso, formata creando una coppia di elettroni generalizzata, è composta da due atomi ed è abbastanza stabile energeticamente, motivo per cui in condizioni normali è alquanto inerte ed entra in reazioni 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 forma idrogeno
Interazioni elementari per formare sostanze complesse (spesso a temperature elevate):
- Metalli alcalini e alcalino terrosi + idrogeno=idruro.
- Alogeno + H2=alogenuro di idrogeno.
- Zolfo + idrogeno=acido solfidrico.
- Ossigeno + H2=acqua.
- Carbonio + idrogeno=metano.
- Azoto + H2=ammoniaca.
Interazione con sostanze complesse:
- Produzione di gas di sintesi da monossido di carbonio e idrogeno.
- Recupero di metalli dai loro ossidi utilizzando H2.
- Saturazione di idrogeno dell'alifatico insaturoidrocarburi.
Legame idrogeno
Le proprietà fisiche dell'idrogeno sono tali da permettergli, essendo in combinazione con un elemento elettronegativo, di formare un tipo speciale di legame con lo stesso atomo da molecole vicine che hanno coppie di elettroni non condivisi (ad esempio ossigeno, azoto e fluoro). L'esempio più chiaro su cui è meglio considerare un tale fenomeno è l'acqua. Si può dire che è cucito con legami idrogeno, che sono più deboli di quelli covalenti o ionici, ma a causa del fatto che ce ne sono molti, hanno un effetto significativo sulle proprietà della sostanza. In sostanza, 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
La composizione di tutti gli acidi inorganici include 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 successivo protone si stacca dal resto dell'acido in modo sempre più difficile. Dal contenuto quantitativo di idrogeni nel mezzo, viene determinata la sua acidità.
L'idrogeno contiene anche gruppi idrossilici di basi. In essi, l'idrogeno è collegato a un atomo di ossigeno, di conseguenza lo stato di ossidazione di questo residuo alcalino è sempre uguale a (-1). Il contenuto di idrossili nel mezzo ne determina la basicità.
Applicazione nelle attività umane
Le bombole con una sostanza, così come i contenitori con altri gas liquefatti, come l'ossigeno, hanno un aspetto specifico. Sono dipinti di verde scuro con una scritta "Hydrogen" 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 utilizzate per riempirlo in una miscela con palloncini di elio, palloncini, ecc.
L'idrogeno, le proprietà fisiche e chimiche di cui le persone hanno imparato a usare molti anni fa, è attualmente utilizzato in molti settori. La maggior parte va alla produzione di ammoniaca. L'idrogeno è anche coinvolto nella produzione di metalli (afnio, germanio, gallio, silicio, molibdeno, tungsteno, zirconio e altri) da ossidi, agendo nella reazione come agente riducente, acido cianidrico e cloridrico, alcol metilico e liquido artificiale carburante. L'industria alimentare lo utilizza per trasformare gli oli vegetali in grassi solidi.
Determinato le proprietà chimiche e l'uso dell'idrogeno in vari processi di idrogenazione e idrogenazione di grassi, carboni, idrocarburi, oli e olio combustibile. Con l'aiuto di esso, vengono prodotte pietre preziose, lampade a incandescenza, prodotti in metallo vengono forgiati e saldati sotto l'influenza di una fiamma ossigeno-idrogeno.
