Doğada hidrojen (yer kabuğunda %0.9). Hidrojenin fiziksel ve kimyasal özellikleri

Hidrojen, Mendeleev'in periyodik sisteminde aynı anda iki hücreyi işgal eden özel bir elementtir. Zıt özelliklere sahip iki grup elementte bulunur ve bu özelliği onu benzersiz kılar. Hidrojen basit bir maddedir ve ayrılmaz parça birçok karmaşık bileşik, organojenik ve biyojenik bir elementtir. Ana özellikleri ve özellikleri ile kendinizi ayrıntılı olarak tanımaya değer.

Mendeleev'in periyodik sisteminde hidrojen

Hidrojenin ana özellikleri aşağıda belirtilmiştir:

• elementin seri numarası 1'dir (aynı sayıda proton ve elektron vardır);
• atom kütlesi 1.00795'tir;
• hidrojenin her biri özel özelliklere sahip üç izotopu vardır;
• sadece bir elektron içeriği nedeniyle, hidrojen indirgeyici ve oksitleyici özellikler gösterebilir ve bir elektron bağışından sonra hidrojen, bileşimde yer alan serbest bir yörüngeye sahiptir. Kimyasal bağlar donör-alıcı mekanizmasına göre;
• hidrojen, düşük yoğunluklu hafif bir elementtir;
• hidrojen güçlü bir indirgeyici ajandır, grubu açar alkali metaller ana alt grubun ilk grubunda;
• hidrojen metaller ve diğer güçlü indirgeyici maddelerle reaksiyona girdiğinde elektronlarını alır ve oksitleyici bir madde haline gelir. Bu tür bileşiklere hidrürler denir. Belirtilen özelliğe göre, hidrojen şartlı olarak benzerliklere sahip olduğu halojenler grubuna (yukarıda florin parantez içinde verilmiştir) aittir.

Basit bir madde olarak hidrojen

Hidrojen, molekülü ikiden oluşan bir gazdır. Bu madde 1766 yılında İngiliz bilim adamı Henry Cavendish tarafından keşfedilmiştir. Hidrojenin oksijenle etkileşime girdiğinde patlayan bir gaz olduğunu kanıtladı. Hidrojeni inceledikten sonra kimyagerler, bu maddenin insan tarafından bilinenlerin en hafifi olduğunu buldular.

Başka bir bilim adamı olan Lavoisier, elemente Latince'de "su doğurmak" anlamına gelen "hidrojenyum" adını verdi. 1781'de Henry Cavendish, suyun oksijen ve hidrojenin bir kombinasyonu olduğunu kanıtladı. Başka bir deyişle, su, hidrojenin oksijenle reaksiyonunun ürünüdür. Hidrojenin yanıcı özellikleri eski bilim adamları tarafından bile biliniyordu: karşılık gelen kayıtlar 16. yüzyılda yaşayan Paracelsus tarafından bırakıldı.

Moleküler hidrojen, doğada yaygın olarak bulunan, iki atomdan oluşan ve yanan bir kıymık ortaya çıktığında doğal olarak oluşan gaz halinde bir bileşiktir. Bir hidrojen molekülü, helyum çekirdeğine dönüşen atomlara bozunabilir, çünkü bunlara katılabilirler. nükleer reaksiyonlar. Bu tür süreçler düzenli olarak uzayda ve Güneş'te gerçekleşir.

Hidrojen ve fiziksel özellikleri

Hidrojen aşağıdaki fiziksel parametrelere sahiptir:

• -252.76 °C'de kaynar;
• -259.14 °C'de erir; *belirtilen sıcaklık sınırları içinde, hidrojen kokusuz, renksiz bir sıvıdır;
• hidrojen suda az çözünür;
• hidrojen, sağlandığında teorik olarak metalik bir duruma geçebilir Özel durumlar (Düşük sıcaklık ve yüksek basınç)
• saf hidrojen, patlayıcı ve yanıcı bir maddedir;
• hidrojen, metallerin kalınlığı boyunca yayılabilir, bu nedenle içlerinde iyi çözünür;
• hidrojen havadan 14.5 kat daha hafiftir;
• de yüksek basınç kar gibi katı hidrojen kristalleri elde edilebilir.

Hidrojenin kimyasal özellikleri

Laboratuvar yöntemleri:

• seyreltik asitlerin etkileşimi aktif metaller ve orta aktiviteli metaller;
• metal hidritlerin hidrolizi;
• alkali ve toprak alkali metallerin su ile reaksiyonu.

Hidrojen bileşikleri:

hidrojen halojenürler; metal olmayan uçucu hidrojen bileşikleri; hidritler; hidroksitler; hidrojen hidroksit (su); hidrojen peroksit; organik bileşikler (proteinler, yağlar, karbonhidratlar, vitaminler, lipitler, uçucu yağlar, hormonlar). Proteinlerin, yağların ve karbonhidratların özelliklerinin incelenmesine ilişkin güvenli deneyleri görmek için tıklayın.

Ortaya çıkan hidrojeni toplamak için test tüpünü baş aşağı tutmanız gerekir. Hidrojen, havadan çok daha hafif olduğu için karbondioksit gibi toplanamaz. Hidrojen hızla buharlaşır ve hava ile karıştırıldığında (veya büyük bir birikim halinde) patlar. Bu nedenle tüpü ters çevirmek gerekir. Doldurulduktan hemen sonra tüp lastik bir tıpa ile kapatılır.

Hidrojenin saflığını kontrol etmek için test tüpünün boynuna yanan bir kibrit getirmeniz gerekir. Sağır ve sessiz bir patlama meydana gelirse, gaz temizdir ve hava kirliliği minimumdur. Pop yüksek ve ıslık çalıyorsa, test tüpündeki gaz kirlidir, büyük oranda yabancı bileşen içerir.

Dikkat! Bu deneyleri kendiniz tekrarlamaya çalışmayın!

Hidrojen atomu, diğer elementlerin atomlarıyla karşılaştırıldığında en basit yapıya sahiptir: bir protondan oluşur.

üreten atom çekirdeği ve ls yörüngesinde bulunan bir elektron. Hidrojen atomunun benzersizliği, diğer elektronlar tarafından korunmadığından, tek değerlik elektronunun doğrudan atom çekirdeğinin etki alanında olması gerçeğinde yatmaktadır. Bu ona belirli özellikler sağlar. O girebilir kimyasal reaksiyonlar bir elektron bağışlamak, bir H + katyonu oluşturmak (alkali metal atomları gibi) veya bir H-anyonu (halojen atomları gibi) oluşturmak için bir partnerden bir elektron eklemek. Bu nedenle, periyodik sistemdeki hidrojen daha sık IA grubuna, bazen VIIA grubuna yerleştirilir, ancak hidrojenin periyodik tablonun hiçbir grubuna ait olmadığı tablo çeşitleri vardır.

Hidrojen molekülü iki atomludur - H2. Hidrojen tüm gazların en hafifidir. H2 molekülünün polar olmaması ve yüksek mukavemeti nedeniyle (Avustralya, Brezilya ve Kuzey Amerika ülkelerinin kullandığı saat uygulaması\u003d 436 kJ / mol) normal koşullar altında, hidrojen aktif olarak yalnızca flor ile ve aydınlatıldığında ayrıca klor ve brom ile etkileşime girer. Isıtıldığında birçok metal olmayan, klor, brom, oksijen, kükürt ile reaksiyona girer, indirgeyici özellik gösterir ve alkali ve toprak alkali metallerle etkileşir, oksitleyici bir ajandır ve bu metallerin hidritlerini oluşturur:

Tüm organojenler arasında hidrojen en düşük bağıl elektronegatifliğe sahiptir (0E0 = 2.1), bu nedenle doğal bileşiklerde hidrojen her zaman +1 oksidasyon durumu sergiler. Kimyasal termodinamik açısından, su içeren canlı sistemlerdeki hidrojen, moleküler hidrojen (H2) veya hidrit iyonu (H~) oluşturamaz. Moleküler hidrojen normal koşullar kimyasal olarak aktif değildir ve aynı zamanda oldukça uçucudur, bu nedenle vücut tarafından tutulamaz ve metabolizmaya katılamaz. Hidrit iyonu kimyasal olarak son derece aktiftir ve moleküler hidrojen oluşturmak için çok az miktarda su ile bile hemen etkileşime girer. Bu nedenle vücuttaki hidrojen ya diğer organojenlerle bileşikler halinde ya da bir H+ katyonu şeklindedir.

Organojenik elementlere sahip hidrojen sadece kovalent bağlar oluşturur. Polarite derecesine göre, bu bağlar aşağıdaki sırayla düzenlenir:

Bu seri kimya için çok önemli doğal bileşikler, çünkü bu bağların polaritesi ve polarize edilebilirlikleri, bileşiklerin asidik özelliklerini, yani bir proton oluşumu ile ayrışmayı önceden belirlediğinden.

asit özellikleri. Oluşan elementin doğasına bağlı olarak X-N bağlantısı 4 çeşit asit vardır:

OH asitleri (karboksilik asitler, fenoller, alkoller);

SH-asitleri (tiyoller);

NH-asitleri (amidler, imidler, aminler);

CH asitleri (hidrokarbonlar ve türevleri).

Yüksek polarize edilebilirlik göz önüne alındığında S-H bağlantıları yapılabilir sonraki satır Ayrışma yeteneğine göre asitler:

Su ortamındaki hidrojen katyonlarının konsantrasyonu, pH değeri pH = -lg (Böl. 7.5) kullanılarak ifade edilen asitliğini belirler. Vücudun çoğu fizyolojik ortamı, nötre yakın (pH = 5.0-7.5), sadece mide suyu pH = 1.0-2.0'da bir reaksiyona sahiptir. Bu, bir yandan gıda ile mideye getirilen birçok mikroorganizmayı öldürerek antimikrobiyal etki sağlar; diğer taraftan, asidik ortam proteinlerin, polisakkaritlerin ve diğer biyolojik substratların hidrolizinde katalitik bir etkiye sahiptir ve gerekli metabolitlerin üretimine katkıda bulunur.

redoks özellikleri. Yüksek pozitif yük yoğunluğu nedeniyle, hidrojen katyonu oldukça güçlü bir oksitleyici ajandır (f° = 0 V), asitler ve su ile etkileşime girdiğinde aktif ve orta aktiviteli metalleri oksitler:

Canlı sistemlerde bu kadar güçlü indirgeyici maddeler yoktur ve nötr bir ortamdaki (pH = 7) hidrojen katyonlarının oksitleyici gücü önemli ölçüde azalır (f° = -0,42 V). Bu nedenle, vücutta, hidrojen katyonu oksitleyici özellikler sergilemez, ancak redoks reaksiyonlarına aktif olarak katılarak başlangıç ​​maddelerinin reaksiyon ürünlerine dönüştürülmesine katkıda bulunur:

Verilen tüm örneklerde, hidrojen atomları oksidasyon durumlarını +1 değiştirmedi.

İndirgeme özellikleri, moleküler ve özellikle atomik hidrojenin, yani doğrudan reaksiyon ortamına salınma anında ve ayrıca hidrit iyonu için hidrojenin karakteristiğidir:

Ancak canlı sistemlerde bu tür indirgeyici maddeler (H2 veya H-) yoktur ve dolayısıyla bu tür reaksiyonlar da yoktur. Ders kitapları da dahil olmak üzere literatürde bulunan hidrojenin organik bileşiklerin indirgeyici özelliklerinin taşıyıcısı olduğu görüşü gerçeğe uygun değildir; Bu nedenle, canlı sistemlerde, hidrojen atomları yerine karbon atomlarının biyosubstratların donörleri olduğu indirgenmiş dehidrojenaz koenzim formu (Bölüm 9.3.3), bir biyosubstrat azaltıcı olarak işlev görür.

karmaşık özellikler. Hidrojen katyonunda serbest bir atomik orbitalin bulunması ve H+ katyonunun kendisinin yüksek polarize edici etkisi nedeniyle aktif bir kompleks oluşturan iyondur. Böylece, sulu bir ortamda, bir hidrojen katyonu bir hidronyum iyonu H3O + oluşturur ve amonyak varlığında bir amonyum iyonu NH4:

Ortaklar oluşturma eğilimi. Yüksek polar hidrojen atomları O-H bağlantıları ve N-H hidrojen bağları oluşturur (Bölüm 3.1). Bir hidrojen bağının gücü (10 ila 100 kJ/mol), lokalize yüklerin büyüklüğüne ve hidrojen bağının uzunluğuna, yani oluşumunda yer alan elektronegatif elementlerin atomları arasındaki mesafeye bağlıdır. Amino asitler, karbonhidratlar, proteinler için, nükleik asitler aşağıdaki hidrojen bağları uzunlukları karakteristiktir, pm:

Hidrojen bağları nedeniyle, substrat ve enzim arasında, doğal polimerlerdeki bireysel gruplar arasında ikincil, üçüncül ve dördüncül yapılarını belirleyen tersinir moleküller arası etkileşimler ortaya çıkar (Bölüm 21.4, 23.4). Hidrojen bağı, bir çözücü ve reaktif olarak suyun özelliklerinde lider bir rol oynar.

Su ve özellikleri. Hidrojenin en önemli bileşiği sudur. Vücuttaki tüm kimyasal reaksiyonlar sadece su ortamında gerçekleşir, susuz yaşam imkansızdır. Çözücü olarak su, Sec. 6.1.

Asit-baz özellikleri. Asit-baz özellikleri açısından bir reaktif olarak su, gerçek bir amfolittir (Bölüm 8.1). Bu, hem tuzların hidrolizinde (Bölüm 8.3.1) hem de sulu bir ortamda asit ve bazların ayrışmasında (Bölüm 8.3.2) kendini gösterir.

nicel karakteristik asitlik su ortamları dır-dir PH değeri pH.

Asit-baz reaktifi olarak su, biyolojik substratların hidroliz reaksiyonlarında yer alır. Örneğin, adenosin trifosfatın hidrolizi, vücut için depolanmış bir enerji kaynağı olarak hizmet eder, gereksiz proteinlerin enzimatik hidrolizi, gerekli proteinlerin sentezi için başlangıç ​​materyali olan amino asitlerin elde edilmesine hizmet eder. Aynı zamanda, H+ katyonları veya OH– anyonları, biyosubstrat hidroliz reaksiyonları için asit-baz katalizörleridir (Bölüm 21.4, 23.4).

redoks özellikleri. Bir su molekülünde hem hidrojen hem de oksijen kararlı oksidasyon durumlarındadır. Bu nedenle, su belirgin redoks özellikleri sergilemez. Redoks reaksiyonları, su yalnızca çok aktif indirgeyici maddelerle veya çok aktif oksitleyici maddelerle etkileşime girdiğinde veya reaktiflerin güçlü aktivasyonu koşulları altında mümkündür.

Su, alkali ve toprak alkali metaller veya bunların hidritleri gibi güçlü indirgeyici maddelerle etkileşime girdiğinde hidrojen katyonları nedeniyle oksitleyici bir madde olabilir:

saat yüksek sıcaklıklar suyun daha az aktif indirgeyici maddelerle etkileşimi mümkündür:

Canlı sistemlerde, su bileşenleri asla oksitleyici bir ajan olarak hareket etmez, çünkü bu, moleküler hidrojenin organizmalardan geri döndürülemez şekilde çıkarılması ve oluşumu nedeniyle bu sistemlerin tahrip olmasına yol açacaktır.

Su, örneğin flor gibi güçlü bir oksitleyici madde ile etkileşime girdiğinde, oksijen atomları nedeniyle bir indirgeyici madde görevi görebilir:

Işığın etkisi altında ve klorofilin katılımıyla, bitkilerde sudan O2 oluşumu ile fotosentez süreci ilerler (Böl. 9.3.6):

Redoks dönüşümlerine doğrudan katılımın yanı sıra, su ve onun ayrışma ürünleri H + ve OH- yüksek polaritesi ( = 79) ve oluşturduğu iyonların katılımı nedeniyle birçok redoks reaksiyonunun oluşmasına katkıda bulunan bir ortam olarak yer alır. ilk maddelerin nihai hale dönüşümlerinde (Bölüm 9.1).

karmaşık özellikler. Oksijen atomunda iki paylaşılmamış elektron çiftinin mevcudiyeti nedeniyle, su molekülü, bir hidrojen katyonu ile karmaşık bir oksonyum iyonu H30 + ve sulu çözeltilerde metal katyonları ile oldukça kararlı su kompleksleri oluşturan oldukça aktif tek dişli bir liganddır. , örneğin [Ca (H 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . Bu kompleks iyonlarda, düğüm molekülleri, kompleks yapıcı maddelere oldukça sıkı bir şekilde kovalent olarak bağlanır. Alkali metal katyonları su kompleksleri oluşturmazlar, ancak elektrostatik kuvvetler nedeniyle hidratlı katyonlar oluştururlar. Zaman yerleşik hayat bu katyonların hidrasyon kabuklarındaki su molekülleri 0.1 s'yi geçmez ve su molekülü sayısı bakımından bileşimleri kolaylıkla değişebilir.

Ortaklar oluşturma eğilimi. Elektrostatik etkileşimi ve hidrojen bağlarının oluşumunu destekleyen yüksek polarite nedeniyle, saf suda bile su molekülleri (Bölüm 6.1), yapılarda, moleküllerin sayısında ve ortaklardaki yerleşik yaşam sürelerinde farklılık gösteren moleküller arası ortaklar oluşturur. , ayrıca ortakların kendilerinin yaşam süreleri. Böylece, saf su açık bir kompleks dinamik sistem. Dış faktörlerin etkisi altında: radyoaktif, ultraviyole ve lazer radyasyonu, elastik dalgalar, sıcaklık, basınç, elektrik, manyetik ve yapay ve doğal kaynaklardan (uzay, Güneş, Dünya, canlı nesneler) gelen elektromanyetik alanlar - su yapısal ve bilgi özelliklerini değiştirir ve buna bağlı olarak biyolojik ve fizyolojik işlevleri değişir.

Kendi kendine birleşmeye ek olarak, su molekülleri iyonları, polar molekülleri ve makromolekülleri hidratlar, etraflarında hidrasyon kabukları oluşturur, böylece onları çözelti içinde stabilize eder ve çözünmelerini destekler (Bölüm 6.1). Molekülleri polar olmayan ve boyut olarak nispeten küçük olan maddeler suda sadece çok az çözünebilir ve ortaklarının boşluklarını belirli bir yapı ile doldurabilir. Bu durumda, hidrofobik etkileşimin bir sonucu olarak, polar olmayan moleküller, kendilerini çevreleyen hidrasyon kabuğunu yapılandırır ve onu, içinde bu polar olmayan molekülün bulunduğu, genellikle buz benzeri bir yapı ile yapılandırılmış bir ilişkiye dönüştürür.

Canlı organizmalarda, iki su kategorisi ayırt edilebilir - "bağlı" ve "serbest", ikincisi görünüşe göre sadece hücreler arası sıvıdadır (Böl. 6.1). bağlı su sırayla, "yapılandırılmış" (kuvvetle bağlı) ve "yıkılmış" (zayıf bağlı veya gevşek) su olarak alt bölümlere ayrılır. Muhtemelen, yukarıdaki dış faktörlerin tümü vücuttaki suyun durumunu etkiler, oranları değiştirir: "yapılandırılmış" / "yıkılmış" ve "bağlı" / "serbest" su, ayrıca yapısal ve dinamik parametreleri. Bu, vücudun fizyolojik durumundaki değişikliklerde kendini gösterir. Hücre içi suyun sürekli olarak, esas olarak proteinler tarafından, "yapılandırılmış" bir durumdan "yıkılmış" bir duruma titreşimli geçişler tarafından düzenlenmesi mümkündür. Bu geçişler, hücreden harcanan metabolitlerin (cürufların) atılması ve gerekli maddelerin emilmesi ile bağlantılıdır. İTİBAREN modern nokta görme, su, yaşam süreçlerinin düzenine ulaşıldığı için tek bir hücre içi yapının oluşumunda rol oynar. Bu nedenle, A. Szent-Gyorgyi'nin mecazi ifadesine göre, vücuttaki su "yaşam matrisi" dir.

Doğada su. Su, yeryüzündeki en önemli ve yaygın maddedir. Yüzey Dünya%75'i su ile kaplıdır. Dünya Okyanusunun hacmi 1,4 milyar km3'tür. Aynı miktarda su minerallerde kristalleşme suyu şeklinde bulunur. Atmosfer 13 bin km3 su içerir. Aynı zamanda, içme ve evsel ihtiyaçlara uygun tatlı su rezervleri oldukça sınırlıdır (tüm tatlı su rezervuarlarının hacmi 200 bin km3'tür). temiz su, günlük yaşamda kullanılan, 0,05 ila 1 g / l arasında çeşitli safsızlıklar içerir, çoğu zaman bunlar tuzlardır: varlığı suyu sertleştiren çözünür kalsiyum ve magnezyum tuzları dahil olmak üzere bikarbonatlar, klorürler, sülfatlar (bölüm 14.3). Şu anda, güvenlik su kaynakları ve temizlik atıksu en acil çevre sorunlarıdır.

Sıradan suda yaklaşık %0.02 ağır su D2O (D - döteryum) bulunur. Sıradan suyun buharlaşması veya elektrolizi sırasında birikir. Ağır su zehirlidir. Ağır su, canlı organizmalarda suyun hareketini incelemek için kullanılır. Yardımı ile bazı bitkilerin dokularındaki su hareket hızının 14 m/s'ye ulaştığı ve kişinin içtiği suyun 2 saat içinde organlarına ve dokularına tamamen dağıldığı ve vücuttan tamamen atıldığı tespit edildi. sadece iki hafta sonra. Canlı organizmalar, tüm yaşam süreçlerinde vazgeçilmez bir katılımcı olan %50 ila 93 oranında su içerir. Su olmadan hayat imkansızdır. 70 yıllık bir yaşam beklentisi olan bir kişi, yiyecek ve içeceklerle yaklaşık 70 ton su tüketir.

Bilimsel ve tıbbi uygulama yaygın olarak kullanılan arıtılmış su- renksiz şeffaf sıvı, kokusuz ve tatsız, pH = 5.2-6.8. Bu, birçok dozaj formunun hazırlanması için bir farmakope preparatıdır.

Enjeksiyonluk su(pirojenik su) - ayrıca bir farmakope preparatı. Bu su pirojenik maddeler içermez. Pirojenler - bakteri kökenli maddeler - vücuda girerken titreme, ateş, baş ağrısı ve kardiyovasküler aktivitede bozulmaya neden olan metabolitleri veya bakteri atık ürünleri. Apirojenik su, düğümün (bidistilat) aseptik koşullar altında çift damıtılmasıyla hazırlanır ve 24 saat içinde kullanılır.

Bölümü bitirirken, hidrojenin biyojenik bir element olarak özelliklerini vurgulamak gerekir. Canlı sistemlerde, hidrojen her zaman +1 oksidasyon durumu sergiler ve ya diğer biyojenik elementlerle polar kovalent bir bağ olarak ya da bir H + katyonu olarak oluşur. Hidrojen katyonu, asidik özelliklerin bir taşıyıcısı ve diğer organojenlerin atomlarının serbest elektron çiftleriyle etkileşime giren aktif bir kompleks yapıcı ajandır. Redoks özellikleri açısından, vücut koşulları altında bağlı hidrojen, bir oksitleyici ajan veya bir indirgeyici ajanın özelliklerini göstermez, ancak hidrojen katyonu, oksidasyon durumunu değiştirmeden birçok redoks reaksiyonuna aktif olarak katılır, ancak katkıda bulunur. biyolojik substratların reaksiyon ürünlerine dönüştürülmesine. Elektronegatif elementlere bağlı hidrojen, hidrojen bağları oluşturur.

Evrende en bol bulunan element hidrojendir. Yıldızlar konusunda, çekirdek - protonlar - şeklindedir ve termonükleer süreçlerin malzemesidir. Güneş'in kütlesinin neredeyse yarısı da H2 moleküllerinden oluşur. Yerkabuğundaki içeriği% 0.15'e ulaşır ve petrol bileşiminde atomlar bulunur, doğal gaz, su. Oksijen, azot ve karbon ile birlikte, Dünya'daki tüm canlı organizmaların bir parçası olan organojenik bir elementtir. Yazımızda fiziksel ve Kimyasal özellikler Hidrojenin endüstrideki ana uygulama alanlarını ve doğadaki önemini tanımlıyoruz.

Mendeleev'in periyodik kimyasal element sistemindeki konumu

Periyodik tabloyu açan ilk element hidrojendir. Atom kütlesi 1.0079'dur. İki kararlı (protium ve döteryum) ve bir radyoaktif izotopu (trityum) vardır. Fiziksel özellikler metal olmayanların tablodaki yeri ile belirlenir kimyasal elementler. Normal koşullar altında hidrojen (formülü H 2'dir) havadan neredeyse 15 kat daha hafif bir gazdır. Bir elementin atomunun yapısı benzersizdir: sadece bir çekirdek ve bir elektrondan oluşur. Bir maddenin molekülü iki atomludur, içindeki parçacıklar kovalent polar olmayan bir bağ kullanılarak bağlanır. Enerji yoğunluğu oldukça yüksektir - 431 kJ. Bu, normal koşullar altında bileşiğin düşük kimyasal aktivitesini açıklar. Hidrojenin elektronik formülü: H:H'dir.

madde vardır bütün çizgi diğer metal olmayanlar arasında benzerleri olmayan özellikler. Bunlardan bazılarını ele alalım.

Çözünürlük ve termal iletkenlik

Metaller ısıyı en iyi iletir, ancak hidrojen onlara termal iletkenlik açısından yaklaşır. Bu fenomenin açıklaması çok yüksek hız bir maddenin hafif moleküllerinin termal hareketi, bu nedenle, bir hidrojen atmosferinde, ısıtılmış bir nesne havadan 6 kat daha hızlı soğur. Bileşik metallerde iyi çözünür, örneğin yaklaşık 900 hacim hidrojen bir hacim paladyum tarafından emilebilir. Metaller, hidrojenin oksitleyici özelliklerinin ortaya çıktığı H2 ile kimyasal reaksiyonlara girebilir. Bu durumda, hidritler oluşur:

2Na + H2 \u003d 2 NaH.

Bu reaksiyonda, bir elementin atomları, metal parçacıklardan elektronları alarak birim negatif yüklü anyonlara dönüşür. Bu durumda basit bir H2 maddesi, genellikle bunun için tipik olmayan bir oksitleyici ajandır.

İndirgeyici ajan olarak hidrojen

Metalleri ve hidrojeni birleştiren şey, yalnızca yüksek termal iletkenlik değil, aynı zamanda atomlarının kimyasal süreçler kendi elektronlarını verirler, yani oksitlenirler. Örneğin, bazik oksitler hidrojen ile reaksiyona girer. Redoks reaksiyonu, saf metalin serbest bırakılması ve su moleküllerinin oluşumu ile sona erer:

CuO + H2 \u003d Cu + H20.

Isıtma sırasında bir maddenin oksijenle etkileşimi de su moleküllerinin üretilmesine yol açar. İşlem ekzotermiktir ve serbest bırakma eşlik eder. Büyük bir sayı Termal enerji. H2 ve O2 gaz karışımı 2: 1 oranında reaksiyona girerse, ateşlendiğinde patladığı için buna denir:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O.

Su, Dünya'nın hidrosferinin, ikliminin ve hava durumunun oluşumunda önemli bir rol oynar ve oynar. Doğadaki elementlerin dolaşımını sağlar, organizmaların tüm yaşam süreçlerini destekler - gezegenimizin sakinleri.

Metal olmayanlarla etkileşim

Hidrojenin en önemli kimyasal özellikleri, metalik olmayan elementlerle reaksiyonlarıdır. saat normal koşullar kimyasal olarak yeterince inerttir, bu nedenle madde yalnızca tüm metal olmayanlar arasında en aktif olan flor veya klor gibi halojenlerle reaksiyona girebilir. Böylece, bir flor ve hidrojen karışımı karanlıkta veya soğukta ve klor ile - ısıtıldığında veya ışıkta patlar. Reaksiyon ürünleri, sulu çözeltileri florür ve klorür asitleri olarak bilinen hidrojen halojenürler olacaktır. C, 450-500 derecelik bir sıcaklıkta, 30-100 MPa'lık bir basınçta ve bir katalizör varlığında etkileşime girer:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

Hidrojenin dikkate alınan kimyasal özellikleri büyük önem endüstri için. Örneğin, değerli bir kimyasal ürün - amonyak alabilirsiniz. Nitrat asit ve azotlu gübrelerin üretimi için ana hammaddedir: karbamid, amonyum nitrat.

organik madde

Karbon ve hidrojen arasında en basit hidrokarbon - metan üretimine yol açar:

C + 2H2 = CH4.

Madde, doğal maddenin en önemli bileşenidir ve organik sentez endüstrisi için değerli bir yakıt ve hammadde türü olarak kullanılır.

Karbon bileşiklerinin kimyasında, çok sayıda maddeye bir element dahildir: alkanlar, alkenler, karbonhidratlar, alkoller, vb. Organik bileşiklerin H2 molekülleri ile birçok reaksiyonu bilinmektedir. giyiyorlar yaygın isim hidrojenasyon veya hidrojenasyon. Böylece, aldehitler hidrojen ile alkollere, doymamış hidrokarbonlar - alkanlara indirgenebilir. Örneğin, etilen etana dönüştürülür:

C2H4 + H2 \u003d C2H6.

Önemli pratik değerörneğin sıvı yağların hidrojenasyonu gibi hidrojenin kimyasal özelliklerine sahiptir: ayçiçeği, mısır, kolza tohumu. Gliserin, sabun, stearin üretiminde kullanılan katı yağ - domuz yağı üretimine yol açar, durum çeşitleri margarin. Gelişme için dış görünüş ve lezzetlilik buna gıda ürünü, süt, hayvansal yağlar, şeker, vitaminler eklenir.

Yazımızda hidrojenin özelliklerini inceledik ve doğada ve insan yaşamındaki rolünü öğrendik.

TANIM

Hidrojen- D.I.'nin periyodik kimyasal element sisteminin ilk elementi. Mendeleyev. Sembol N'dir.

Atom kütlesi - 1 am.u. Hidrojen molekülü iki atomludur - H2.

Elektronik konfigürasyon hidrojen atomu - 1s 1. Hidrojen, s-element ailesine aittir. Bileşiklerinde -1, 0, +1 oksidasyon durumları sergiler. Doğal hidrojen, iki kararlı izotoptan oluşur - protium 1 H (%99.98) ve döteryum 2H (D) (%0.015) - ve trityum 3H'nin (T) radyoaktif izotopu (eser miktarlar, yarı ömür - 12.5 yıl) .

Hidrojenin kimyasal özellikleri

Normal koşullar altında, moleküler hidrojen, moleküldeki yüksek bağ kuvveti ile açıklanan nispeten düşük bir reaktivite sergiler. Isıtıldığında, ana alt grupların elemanları tarafından oluşturulan hemen hemen tüm basit maddelerle etkileşime girer (hariç soy gazlar, B, Si, P, Al). Kimyasal reaksiyonlarda, hem indirgeyici ajan (daha sık) hem de oksitleyici ajan (daha az sıklıkla) olarak hareket edebilir.

Hidrojen tezahürleri indirgeyici ajan özellikleri(H 2 0 -2e → 2H +) aşağıdaki reaksiyonlarda:

1. Basit maddelerle etkileşim reaksiyonları - metal olmayanlar. hidrojen reaksiyona girer halojenler ile ayrıca, normal koşullar altında, karanlıkta, bir patlama ile, klor ile - aydınlatma altında (veya UV ışıması) bir zincir mekanizması ile, sadece ısıtıldığında brom ve iyot ile flor ile etkileşimin reaksiyonu; oksijen(2:1 hacim oranında oksijen ve hidrojen karışımına "patlayıcı gaz" denir), gri, azot ve karbon:

H 2 + Hal 2 \u003d 2HHal;

2H 2 + O 2 \u003d 2H20 + Q (t);

H 2 + S \u003d H 2 S (t \u003d 150 - 300C);

3H2 + N2 ↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Karmaşık maddelerle etkileşim reaksiyonları. hidrojen reaksiyona girer düşük aktif metallerin oksitleri ile, ve sadece çinkonun sağındaki aktivite serisinde bulunan metalleri indirgeyebilmektedir:

CuO + H2 \u003d Cu + H20 (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 \u003d W + 3H20 (t).

hidrojen reaksiyona girer metal olmayan oksitlerle:

H2 + CO2 ↔ CO + H20 (t);

2H 2 + CO ↔ CH30H (t = 300C, p = 250 - 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Hidrojen, hidrojenasyon reaksiyonlarına aşağıdakilerle girer: organik bileşikler sikloalkanlar, alkenler, arenler, aldehitler ve ketonlar vb. sınıfı. Tüm bu reaksiyonlar ısıtma altında, basınç altında gerçekleştirilir, katalizör olarak platin veya nikel kullanılır:

CH2 \u003d CH2 + H2 ↔ CH3 -CH3;

C6H6 + 3H2↔ C6H12;

C3H6 + H2↔ C3H8;

CH3CHO + H2↔ CH3-CH2-OH;

CH3 -CO-CH3 + H2 ↔ CH3 -CH (OH) -CH3.

Hidrojen oksitleyici ajan olarak(H 2 + 2e → 2H -) alkali ve toprak alkali metallerle reaksiyona girer. Bu durumda, hidritler oluşur - hidrojenin -1 oksidasyon durumu sergilediği kristalli iyonik bileşikler.

2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H2 ↔ CaH2 (t, p).

Hidrojenin fiziksel özellikleri

Hidrojen hafif renksiz bir gazdır, kokusuzdur, yoğunluğu n.o. - 0.09 g/l, havadan 14,5 kat daha hafif, t balya = -252.8C, t pl = - 259.2C. Hidrojen suda ve organik çözücülerde az çözünür, bazı metallerde yüksek oranda çözünür: nikel, paladyum, platin.

Modern kozmokimyaya göre, hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Hidrojenin varlığının ana şekli uzay bireysel atomlardır. Hidrojen, Dünya'da en bol bulunan 9. elementtir. Dünyadaki ana hidrojen miktarı bağlı durumdadır - su, petrol, doğal gaz, kömür vb. Bileşiminde. Basit bir madde şeklinde, hidrojen nadiren bulunur - volkanik gazların bileşiminde.

hidrojen elde etmek

Hidrojen üretimi için laboratuvar ve endüstriyel yöntemler vardır. Laboratuvar yöntemleri, metallerin asitlerle (1) etkileşiminin yanı sıra alüminyumun sulu alkali çözeltileriyle (2) etkileşimini içerir. Hidrojen üretmeye yönelik endüstriyel yöntemler arasında, alkalilerin ve tuzların sulu çözeltilerinin elektrolizi (3) ve metanın dönüştürülmesi (4) önemli bir rol oynar:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H20 = 2Na +3 H2 (2);

2NaCl + 2H20 = H2 + Cl2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

Egzersiz yapmak	23.8 g metalik kalay fazla hidroklorik asit ile etkileşime girdiğinde, 12.8 g metalik bakır elde etmek için yeterli bir miktarda hidrojen açığa çıktı, Elde edilen bileşikteki kalayın oksidasyon derecesini belirleyin.
Çözüm	Kalay atomunun (...5s 2 5p 2) elektronik yapısına dayanarak, kalayın iki oksidasyon durumu ile karakterize edildiği sonucuna varabiliriz - +2, +4. Buna dayanarak, olası reaksiyonların denklemlerini oluşturacağız: Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1); Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2); CuO + H2 \u003d Cu + H20 (3). Bakır madde miktarını bulun: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12,8 / 64 \u003d 0,2 mol. Denklem 3'e göre, hidrojen maddesinin miktarı: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0,2 mol. Kalay kütlesini bilerek, madde miktarını buluruz: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23,8 / 119 \u003d 0,2 mol. Kalay ve hidrojen maddelerinin miktarlarını denklem 1 ve 2'ye göre ve problemin durumuna göre karşılaştıralım: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (denklem 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (denklem 2); v(Sn): v(H 2) = 0.2:0.2 = 1:1 (sorun koşulu). Bu nedenle, kalay hidroklorik asit ile denklem 1'e göre reaksiyona girer ve kalayın oksidasyon durumu +2'dir.
Cevap	Kalayın oksidasyon durumu +2'dir.

ÖRNEK 2

Egzersiz yapmak	18.7 ml %14.6 hidroklorik asit (çözelti yoğunluğu 1.07 g/ml) başına 2.0 g çinkonun etkisiyle salınan gaz 4.0 g bakır (II) oksit üzerinde ısıtılarak geçirildi. Elde edilen katı karışımın kütlesi nedir?
Çözüm	çinko ne zaman etki eder hidroklorik asit hidrojen salınır: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), ısıtıldığında bakır (II) oksidi bakıra (2) indirger: CuO + H2 \u003d Cu + H20. İlk tepkimedeki madde miktarını bulunuz: m (p-ra Hcl) = 18.7. 1.07 = 20.0 gr; m(HCl) = 20.0. 0.146 = 2.92 gr; v (HCl) \u003d 2,92 / 36,5 \u003d 0,08 mol; v(Zn) = 2.0/65 = 0.031 mol. Çinko eksiktir, bu nedenle salınan hidrojen miktarı: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0.031 mol. İkinci reaksiyonda hidrojen eksiktir çünkü: v (CuO) \u003d 4.0 / 80 \u003d 0.05 mol. Reaksiyon sonucunda 0.031 mol CuO, 0.031 mol Cu'ya dönüşecek ve kütle kaybı: m (СuО) - m (Сu) \u003d 0.031 × 80 - 0.031 × 64 \u003d 0.50 g. Hidrojeni geçtikten sonra CuO'nun Cu ile katı karışımının kütlesi şöyle olacaktır: 4.0-0.5 = 3.5 gr
Cevap	CuO'nun Cu ile katı karışımının kütlesi 3.5 g'dır.

Hidrojen (Latince'den aydınger kağıdı: lat. Hidrojenyum - hidro = "su", gen = "üreten"; hidrojenyum - "su üreten"; H sembolü ile gösterilir) - periyodik element sisteminin ilk elemanı. Doğada yaygın olarak dağıtılır. Hidrojen 1 H'nin en yaygın izotopunun katyonu (ve çekirdeği) protondur. 1H çekirdeğinin özellikleri, organik maddelerin analizinde NMR spektroskopisinin yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılar.

Üç hidrojen izotopunun kendi isimleri vardır: 1 H - protium (H), 2 H - döteryum (D) ve 3 H - trityum (radyoaktif) (T).

Basit bir madde hidrojen - H 2 - hafif renksiz bir gaz. Hava veya oksijen ile karışım halinde yanıcı ve patlayıcıdır. Toksik olmayan. Etanol ve bir dizi metalde çözünelim: demir, nikel, paladyum, platin.

Hikaye

Asitlerin ve metallerin etkileşimi sırasında yanıcı gaz salınımı 16. ve XVII yüzyıllar bir bilim olarak kimyanın oluşumunun başlangıcında. Mikhail Vasilyevich Lomonosov da doğrudan izolasyonuna işaret etti, ancak bunun flojiston olmadığını zaten kesinlikle fark etti. İngiliz fizikçi ve kimyager Henry Cavendish, 1766'da bu gazı inceledi ve ona "yanıcı hava" adını verdi. Yandığında, "yanıcı hava" su üretti, ancak Cavendish'in flojiston teorisine bağlılığı, onun doğru sonuçları çıkarmasını engelledi. Fransız kimyager Antoine Lavoisier, mühendis J. Meunier ile birlikte 1783'te özel gazometreler kullanarak suyun sentezini ve ardından su buharını kızgın demirle ayrıştırarak analizini gerçekleştirdi. Böylece "yanıcı havanın" suyun bir parçası olduğunu ve ondan elde edilebileceğini tespit etti.

adının kökeni

Lavoisier, hidrojene hidrogen adını verdi (diğer Yunanca ὕδωρ - su ve γεννάω - doğururum) - “su doğurmak”. Rus adı "hidrojen", 1824'te kimyager M.F. Solovyov tarafından - M.V. Lomonosov tarafından "oksijen" ile benzer şekilde önerildi.

yaygınlık

Evrende
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Tüm atomların yaklaşık %92'sini oluşturur (%8 helyum atomlarıdır, birlikte alındığında diğer tüm elementlerin payı %0,1'den azdır). Bu nedenle, hidrojen ana bileşen yıldızlar ve yıldızlararası gaz. Yıldız sıcaklıkları koşulları altında (örneğin, Güneş'in yüzey sıcaklığı ~ 6000 °C'dir), hidrojen plazma şeklinde bulunur; yıldızlararası uzayda, bu element tek tek moleküller, atomlar ve iyonlar şeklinde bulunur ve boyut, yoğunluk ve sıcaklıkta önemli ölçüde değişen moleküler bulutlar oluşturur.

Yerkabuğu ve canlı organizmalar
Hidrojenin yer kabuğundaki kütle oranı %1'dir - bu en yaygın onuncu elementtir. Bununla birlikte, doğadaki rolü kütle ile değil, diğer elementler arasındaki payı% 17 olan atom sayısı ile belirlenir (atomların oranı ~% 52 olan oksijenden sonra ikinci sırada). Bu nedenle, Dünya'da meydana gelen kimyasal süreçlerde hidrojenin önemi, neredeyse oksijeninki kadar büyüktür. Dünya'da hem bağlı hem de serbest halde bulunan oksijenin aksine, Dünya'daki neredeyse tüm hidrojen bileşikler halindedir; atmosferde basit bir madde şeklinde çok az miktarda hidrojen bulunur (hacimce %0.0005).
Hidrojen hemen hemen tüm organik maddelerin bir bileşenidir ve tüm canlı hücrelerde bulunur. Canlı hücrelerde, atom sayısına göre hidrojen neredeyse %50'dir.

Fiş

Endüstriyel elde etme yöntemleri basit maddeler karşılık gelen öğenin doğada bulunduğu forma, yani üretimi için hammaddenin ne olabileceğine bağlıdır. Böylece serbest halde bulunan oksijen elde edilir. fiziksel bir şekilde- sıvı havadan serbest bırakın. Hemen hemen tüm hidrojen bileşikler halindedir, bu nedenle onu elde etmek için kimyasal yöntemler kullanılır. Özellikle, ayrışma reaksiyonları kullanılabilir. Hidrojen üretmenin yollarından biri, suyun elektrik akımı ile ayrışmasının reaksiyonudur.
Hidrojen üretmek için ana endüstriyel yöntem, doğal gazın bir parçası olan metan suyu ile reaksiyondur. Yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir:
CH 4 + 2H 2 O \u003d CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Bazen endüstride kullanılan hidrojen üretimi için laboratuvar yöntemlerinden biri de suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır. Hidrojen genellikle laboratuvarda çinkonun hidroklorik asit ile reaksiyona girmesiyle üretilir.