L'interaction de quelles substances produit de l'hydrogène ? Hydrogène - caractéristiques, propriétés physiques et chimiques

Désignation - H (hydrogène);
Nom latin - Hydrogénium ;
Période - I ;
Groupe - 1 (Ia);
Masse atomique - 1,00794 ;
Numéro atomique - 1 ;
Rayon atomique = 53 pm ;
Rayon covalent = 32 pm ;
Distribution électronique - 1s 1 ;
température de fusion = -259,14°C ;
point d'ébullition = -252,87°C ;
Electronégativité (selon Pauling/selon Alpred et Rochow) = 2,02/- ;
État d'oxydation : +1 ; 0 ; -1;
Densité (n°) = 0,0000899 g/cm 3 ;
Volume molaire = 14,1 cm 3 /mol.

Composés binaires de l'hydrogène avec l'oxygène :

L'hydrogène (« donner naissance à l'eau ») a été découvert par le scientifique anglais G. Cavendish en 1766. C'est l'élément le plus simple de la nature : un atome d'hydrogène possède un noyau et un électron, ce qui explique probablement pourquoi l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'Univers (représentant plus de la moitié de la masse de la plupart des étoiles).

À propos de l’hydrogène, on peut dire que « la bobine est petite mais chère ». Malgré sa « simplicité », l'hydrogène fournit de l'énergie à tous les êtres vivants sur Terre : une réaction thermonucléaire continue a lieu sur le Soleil, au cours de laquelle un atome d'hélium est formé à partir de quatre atomes d'hydrogène, ce processus s'accompagne de la libération d'une quantité colossale d'énergie (pour plus de détails, voir Fusion Nucléaire).

Dans la croûte terrestre, la fraction massique d'hydrogène n'est que de 0,15 %. Pendant ce temps, l’écrasante majorité (95 %) de toutes les substances chimiques connues sur Terre contiennent un ou plusieurs atomes d’hydrogène.

Dans les composés avec des non-métaux (HCl, H 2 O, CH 4...), l'hydrogène cède son seul électron à des éléments plus électronégatifs, présentant un état d'oxydation de +1 (le plus souvent), ne formant que des liaisons covalentes (voir Covalent lier).

Dans les composés avec des métaux (NaH, CaH 2...), l'hydrogène, au contraire, accepte un autre électron dans sa seule orbitale s, essayant ainsi de compléter sa couche électronique, présentant un état d'oxydation de -1 (moins souvent), formant souvent une liaison ionique (voir Liaison ionique), car la différence d'électronégativité de l'atome d'hydrogène et de l'atome de métal peut être assez grande.

H2

À l’état gazeux, l’hydrogène existe sous forme de molécules diatomiques, formant une liaison covalente non polaire.

Les molécules d'hydrogène ont :

grande mobilité;
grande force;
faible polarisabilité;
petite taille et poids.

Propriétés de l'hydrogène gazeux :

le gaz le plus léger de la nature, incolore et inodore ;
peu soluble dans l'eau et les solvants organiques;
se dissout en petites quantités dans les métaux liquides et solides (notamment le platine et le palladium) ;
difficile à liquéfier (en raison de sa faible polarisabilité) ;
a la conductivité thermique la plus élevée de tous les gaz connus ;
lorsqu'il est chauffé, il réagit avec de nombreux non-métaux, présentant les propriétés d'un agent réducteur ;
à température ambiante réagit avec le fluor (une explosion se produit) : H 2 + F 2 = 2HF ;
réagit avec les métaux pour former des hydrures, présentant des propriétés oxydantes : H 2 + Ca = CaH 2 ;

Dans les composés, l'hydrogène présente ses propriétés beaucoup plus fortement. propriétés réparatrices que les oxydants. L'hydrogène est l'agent réducteur le plus puissant après le charbon, l'aluminium et le calcium. Les propriétés réductrices de l'hydrogène sont largement utilisées dans l'industrie pour obtenir des métaux et des non-métaux (substances simples) à partir d'oxydes et de gallides.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Réactions de l'hydrogène avec des substances simples

L'hydrogène accepte un électron et joue un rôle agent réducteur, en réactions :

Avec oxygène(lors de l'allumage ou en présence d'un catalyseur), dans un rapport de 2:1 (hydrogène:oxygène) un gaz détonant explosif se forme : 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
Avec gris(lorsqu'il est chauffé à 150°C-300°C) : H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
Avec chlore(lorsqu'il est allumé ou irradié par des rayons UV) : H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
Avec fluor: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
Avec azote(lorsqu'il est chauffé en présence de catalyseurs ou lorsque hypertension artérielle) : 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

L'hydrogène donne un électron, jouant un rôle agent d'oxydation, en réactions avec alcalin Et Terre alcaline les métaux avec formation d'hydrures métalliques - composés ioniques de type sel contenant des ions hydrure H - ce sont des substances cristallines blanches instables.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Il n’est pas courant que l’hydrogène présente un état d’oxydation de -1. Lorsqu'ils réagissent avec l'eau, les hydrures se décomposent, réduisant l'eau en hydrogène. La réaction de l'hydrure de calcium avec l'eau est la suivante :

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Réactions de l'hydrogène avec des substances complexes

à haute température l'hydrogène réduit de nombreux oxydes métalliques : ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
l'alcool méthylique est obtenu par réaction de l'hydrogène avec le monoxyde de carbone (II) : 2H 2 +CO → CH 3 OH
Dans les réactions d'hydrogénation, l'hydrogène réagit avec de nombreuses substances organiques.

Les équations des réactions chimiques de l'hydrogène et de ses composés sont discutées plus en détail sur la page « L'hydrogène et ses composés - équations des réactions chimiques impliquant l'hydrogène ».

Applications de l'hydrogène

V énergie nucléaire des isotopes de l'hydrogène sont utilisés - deutérium et tritium ;
dans l'industrie chimique, l'hydrogène est utilisé pour la synthèse de nombreuses substances organiques, ammoniac, chlorure d'hydrogène ;
dans l'industrie alimentaire, l'hydrogène est utilisé dans la production de graisses solides par hydrogénation les huiles végétales;
pour le soudage et le coupage des métaux, on utilise la température élevée de combustion de l'hydrogène dans l'oxygène (2600°C) ;
dans la production de certains métaux, l'hydrogène est utilisé comme agent réducteur (voir ci-dessus) ;
L’hydrogène étant un gaz léger, il est utilisé en aéronautique comme agent de remplissage des ballons, ballons, dirigeables ;
L’hydrogène est utilisé comme carburant mélangé au CO.

Récemment, les scientifiques ont accordé une grande attention à la recherche de sources alternatives d'énergie renouvelable. L'un des domaines prometteurs est l'énergie « hydrogène », dans laquelle l'hydrogène est utilisé comme combustible, dont le produit de combustion est l'eau ordinaire.

Méthodes de production d'hydrogène

Méthodes industrielles de production d’hydrogène :

conversion du méthane (réduction catalytique de la vapeur d'eau) par vapeur d'eau à haute température (800°C) sur un catalyseur au nickel : CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
conversion du monoxyde de carbone avec de la vapeur d'eau (t=500°C) sur un catalyseur Fe 2 O 3 : CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
décomposition thermique du méthane : CH 4 = C + 2H 2 ;
gazéification combustibles solides(t=1000°C) : C + H 2 O = CO + H 2 ;
électrolyse de l'eau (méthode très coûteuse qui produit de l'hydrogène très pur) : 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Méthodes de laboratoire pour produire de l'hydrogène :

action sur les métaux (généralement le zinc) avec de l'acide chlorhydrique ou sulfurique dilué : Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
interaction de la vapeur d'eau avec la limaille de fer chaude : 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Liquide

Hydrogène(lat. Hydrogénium; indiqué par le symbole H) est le premier élément du tableau périodique des éléments. Largement distribué dans la nature. Le cation (et le noyau) de l’isotope le plus courant de l’hydrogène, 1 H, est le proton. Les propriétés du noyau 1 H permettent d'utiliser largement la spectroscopie RMN dans l'analyse de substances organiques.

Trois isotopes de l'hydrogène ont leur propre nom : 1 H - protium (H), 2 H - deutérium (D) et 3 H - tritium (radioactif) (T).

L'hydrogène, une substance simple - H 2 - est un gaz légèrement incolore. Mélangé à l'air ou à l'oxygène, il est inflammable et explosif. Non toxique. Soluble dans l'éthanol et dans de nombreux métaux : fer, nickel, palladium, platine.

Histoire

La libération de gaz inflammables lors de l'interaction d'acides et de métaux a été observée aux XVIe et XVIIe siècles, à l'aube de la formation de la chimie en tant que science. Mikhaïl Vassilievitch Lomonossov a également souligné directement son isolement, mais il savait déjà avec certitude qu'il ne s'agissait pas de phlogistique. Le physicien et chimiste anglais Henry Cavendish a examiné ce gaz en 1766 et l'a appelé « air combustible ». Lorsqu’il est brûlé, « l’air combustible » produit de l’eau, mais l’adhésion de Cavendish à la théorie du phlogistique l’empêche de tirer les bonnes conclusions. Le chimiste français Antoine Lavoisier, en collaboration avec l'ingénieur J. Meunier, à l'aide de gazomètres spéciaux, réalisa en 1783 la synthèse de l'eau, puis son analyse, en décomposant la vapeur d'eau avec du fer chaud. Ainsi, il a établi que « l’air combustible » fait partie de l’eau et peut en être extrait.

origine du nom

Lavoisier a donné à l’hydrogène le nom d’hydrogène – « donner naissance à l’eau ». Le nom russe « hydrogène » a été proposé par le chimiste M. F. Soloviev en 1824 - par analogie avec « oxygène » de Slomonossov.

Prévalence

L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'Univers. Il représente environ 92 % de tous les atomes (8 % sont des atomes d'hélium, la part de tous les autres éléments combinés est inférieure à 0,1 %). Ainsi, l’hydrogène est le principal composant des étoiles et du gaz interstellaire. Dans des conditions de température stellaire (par exemple, la température de la surface du Soleil est d'environ 6 000 °C), l'hydrogène existe sous forme de plasma ; dans l'espace interstellaire, cet élément existe sous forme de molécules individuelles, d'atomes et d'ions et peut former nuages moléculaires dont la taille, la densité et la température varient considérablement.

La croûte terrestre et les organismes vivants

La fraction massique d'hydrogène dans la croûte terrestre est de 1 % - c'est le dixième élément le plus abondant. Cependant, son rôle dans la nature n'est pas déterminé par la masse, mais par le nombre d'atomes, dont la part parmi d'autres éléments est de 17 % (deuxième place après l'oxygène, dont la part d'atomes est d'environ 52 %). Par conséquent, l’importance de l’hydrogène dans les processus chimiques se produisant sur Terre est presque aussi grande que celle de l’oxygène. Contrairement à l’oxygène, qui existe sur Terre à la fois à l’état lié et libre, presque tout l’hydrogène sur Terre est sous forme de composés ; Seule une très petite quantité d’hydrogène sous forme de substance simple est contenue dans l’atmosphère (0,00005 % en volume).

L'hydrogène fait partie de presque toutes les substances organiques et est présent dans toutes les cellules vivantes. Dans les cellules vivantes, l’hydrogène représente près de 50 % du nombre d’atomes.

Reçu

Les méthodes industrielles de production de substances simples dépendent de la forme sous laquelle l'élément correspondant se trouve dans la nature, c'est-à-dire de la matière première pour sa production. Ainsi, l'oxygène, disponible à l'état libre, est obtenu physiquement - par séparation de l'air liquide. Presque tout l'hydrogène est sous forme de composés, donc pour l'obtenir, ils utilisent méthodes chimiques. En particulier, des réactions de décomposition peuvent être utilisées. Une façon de produire de l’hydrogène consiste à décomposer l’eau par le courant électrique.

La principale méthode industrielle de production d’hydrogène est la réaction du méthane, qui fait partie du gaz naturel, avec l’eau. Elle est réalisée à haute température (il est facile de vérifier qu'en faisant passer le méthane même dans de l'eau bouillante, aucune réaction ne se produit) :

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

En laboratoire, pour obtenir des substances simples, ils n'utilisent pas nécessairement des matières premières naturelles, mais choisissent les substances premières à partir desquelles il est plus facile d'isoler substance essentielle. Par exemple, en laboratoire, l’oxygène ne provient pas de l’air. Il en va de même pour la production d’hydrogène. L'une des méthodes de production d'hydrogène en laboratoire, parfois utilisée dans l'industrie, est la décomposition de l'eau par le courant électrique.

Généralement, l’hydrogène est produit en laboratoire en faisant réagir du zinc avec de l’acide chlorhydrique.

Dans l'industrie

1.Électrolyse de solutions aqueuses de sel :

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2. Passage de vapeur d'eau sur du coke chaud à une température d'environ 1 000 °C :

H2O+C ? H2+CO

3. Du gaz naturel.

Conversion vapeur :

CH 4 + H 2 O ? CO + 3H 2 (1000 °C)

Oxydation catalytique avec l'oxygène :

2CH4 + O2 ? 2CO + 4H2

4. Craquage et reformage des hydrocarbures lors du raffinage du pétrole.

Dans le laboratoire

1.L'effet des acides dilués sur les métaux. Pour réaliser cette réaction, du zinc et dilué acide hydrochlorique:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interaction du calcium avec l'eau :

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hydrolyse des hydrures :

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Effet des alcalis sur le zinc ou l'aluminium :

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Utilisation de l'électrolyse. Lors de l'électrolyse de solutions aqueuses d'alcalis ou d'acides, de l'hydrogène est libéré au niveau de la cathode, par exemple :

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Propriétés physiques

L'hydrogène peut exister sous deux formes (modifications) - sous forme d'ortho- et para-hydrogène. Dans une molécule d'orthohydrogène o-H 2 (point de fusion −259,10 °C, point d'ébullition −252,56 °C) les spins nucléaires sont dirigés de manière identique (parallèle), et pour le parahydrogène p-H 2 (point de fusion −259,32 °C, point d'ébullition −252,89 °C) - opposés l'un à l'autre (antiparallèles). Mélange d'équilibre o-H 2 et p-H 2 à une température donnée s'appelle hydrogène à l'équilibre e-H2.

Les modifications hydrogène peuvent être séparées par adsorption sur charbon actif à une température l'azote liquide. À très basses températures l'équilibre entre orthohydrogène et parahydrogène est presque entièrement déplacé vers ce dernier. À 80 K, le rapport des formes est d'environ 1:1. Lorsqu'il est chauffé, le parahydrogène désorbé est converti en orthohydrogène jusqu'à formation d'un mélange équilibré à température ambiante (ortho-para : 75 : 25). Sans catalyseur, la transformation se produit lentement (dans les conditions du milieu interstellaire - avec des temps caractéristiques allant jusqu'aux temps cosmologiques), ce qui permet d'étudier les propriétés des modifications individuelles.

L'hydrogène est le gaz le plus léger, il est 14,5 fois plus léger que l'air. Évidemment, plus la masse des molécules est faible, plus leur vitesse est élevée à la même température. En tant que molécules les plus légères, les molécules d’hydrogène se déplacent plus rapidement que les molécules de tout autre gaz et peuvent ainsi transférer la chaleur d’un corps à un autre plus rapidement. Il s’ensuit que l’hydrogène possède la conductivité thermique la plus élevée parmi les substances gazeuses. Sa conductivité thermique est environ sept fois supérieure à la conductivité thermique de l'air.

La molécule d'hydrogène est diatomique - H2. Dans des conditions normales, c'est un gaz incolore, inodore et insipide. Densité 0,08987 g/l (n.s.), point d'ébullition −252,76 °C, chaleur spécifique de combustion 120,9×10 6 J/kg, légèrement soluble dans l'eau - 18,8 ml/l. L'hydrogène est très soluble dans de nombreux métaux (Ni, Pt, Pd...), notamment dans le palladium (850 volumes pour 1 volume de Pd). La solubilité de l’hydrogène dans les métaux est liée à sa capacité à diffuser à travers eux ; La diffusion à travers un alliage de carbone (par exemple l'acier) s'accompagne parfois d'une destruction de l'alliage due à l'interaction de l'hydrogène avec le carbone (appelée décarbonisation). Pratiquement insoluble dans l'argent.

Hydrogène liquide existe dans une plage de température très étroite de -252,76 à -259,2 °C. C'est un liquide incolore, très léger (densité à −253 °C 0,0708 g/cm3) et fluide (viscosité à −253 °C 13,8 spuaz). Les paramètres critiques de l'hydrogène sont très faibles : température −240,2 °C et pression 12,8 atm. Ceci explique les difficultés de liquéfaction de l’hydrogène. A l'état liquide, l'hydrogène à l'équilibre est constitué de 99,79 % de para-H2, 0,21 % d'ortho-H2.

Hydrogène solide, point de fusion −259,2 °C, densité 0,0807 g/cm 3 (à −262 °C) - masse semblable à de la neige, cristaux hexagonaux, groupe spatial P6/mmc, paramètres cellulaires un=3,75 c=6,12. À haute pression, l’hydrogène se transforme en un état métallique.

Isotopes

L'hydrogène est présent dans la forme de trois isotopes qui ont des noms individuels : 1 H - protium (H), 2 H - deutérium (D), 3 H - tritium (radioactif) (T).

Le protium et le deutérium sont des isotopes stables de numéros de masse 1 et 2. Leur teneur dans la nature est respectivement de 99,9885 ± 0,0070 % et 0,0115 ± 0,0070 %. Ce ratio peut varier légèrement selon la source et le mode de production d'hydrogène.

L'isotope de l'hydrogène 3H (tritium) est instable. Sa demi-vie est de 12,32 ans. Le tritium est présent naturellement en très petites quantités.

La littérature fournit également des données sur les isotopes de l'hydrogène avec des nombres de masse de 4 à 7 et des demi-vies de 10 -22 à 10 -23 s.

L'hydrogène naturel est constitué de molécules H 2 et HD (hydrogène deutérium) dans un rapport de 3 200 : 1. La teneur en hydrogène deutérium pur D 2 est encore moindre. Le rapport des concentrations de HD et D2 est d'environ 6400:1.

De tous les isotopes éléments chimiques Les propriétés physiques et chimiques des isotopes de l’hydrogène diffèrent considérablement les unes des autres. Cela est dû au plus grand changement relatif des masses atomiques.

Température fusion, K	Température ébullition, K	Tripler point, K/kPa	Critique point, K/kPa	Densité liquide/gaz, kg/m³

Le deutérium et le tritium présentent également des ortho- et para-modifications : p-D 2 , o-D 2 , p-T2, o-T2. L'hydrogène hétéroisotopique (HD, HT, DT) n'a pas d'ortho- et para-modifications.

Propriétés chimiques

Fraction de molécules d'hydrogène dissociées

Les molécules d'hydrogène H2 sont assez fortes, et pour que l'hydrogène réagisse, il faut dépenser beaucoup d'énergie :

H 2 = 2H − 432 kJ

Par conséquent, aux températures ordinaires, l’hydrogène ne réagit qu’avec des métaux très actifs, comme le calcium, en formant de l’hydrure de calcium :

Ca + H 2 = CaH 2

et avec le seul non-métal - le fluor, formant du fluorure d'hydrogène :

L'hydrogène réagit avec la plupart des métaux et non-métaux à des températures élevées ou sous d'autres influences, par exemple l'éclairage :

O 2 + 2H 2 = 2H 2 O

Il peut « enlever » l’oxygène de certains oxydes, par exemple :

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

L'équation écrite reflète les propriétés réductrices de l'hydrogène.

N2 + 3H2 → 2NH3

Forme des halogénures d'hydrogène avec des halogènes :

F 2 + H 2 → 2HF, la réaction se produit de manière explosive dans l'obscurité et à n'importe quelle température,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, la réaction se déroule de manière explosive, uniquement à la lumière.

Il interagit avec la suie sous forte chaleur :

C + 2H 2 → CH 4

Interaction avec les métaux alcalins et alcalino-terreux

Lorsqu'il interagit avec des métaux actifs, l'hydrogène forme des hydrures :

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hydrures- substances salines, solides, facilement hydrolysables :

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interaction avec des oxydes métalliques (généralement des éléments D)

Les oxydes sont réduits en métaux :

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hydrogénation de composés organiques

L'hydrogène moléculaire est largement utilisé en synthèse organique pour la réduction de composés organiques. Ces processus sont appelés réactions d'hydrogénation. Ces réactions sont réalisées en présence d'un catalyseur à pression et température élevées. Le catalyseur peut être soit homogène (par exemple Wilkinson Catalyst) soit hétérogène (par exemple nickel de Raney, palladium sur carbone).

Ainsi, en particulier, lors de l'hydrogénation catalytique de composés insaturés tels que les alcènes et les alcynes, il se forme des composés saturés - des alcanes.

Géochimie de l'hydrogène

L'hydrogène H2 libre est relativement rare dans les gaz terrestres, mais sous forme d'eau, il joue un rôle extrêmement important dans les processus géochimiques.

L'hydrogène peut être présent dans les minéraux sous forme d'ions ammonium, d'ions hydroxyle et d'eau cristalline.

Dans l’atmosphère, de l’hydrogène est produit en permanence à la suite de la décomposition de l’eau par le rayonnement solaire. Ayant une faible masse, les molécules d'hydrogène ont une vitesse de diffusion élevée (elle est proche de la deuxième vitesse cosmique) et, lorsqu'elles pénètrent dans les couches supérieures de l'atmosphère, elles peuvent voler dans l'espace.

Caractéristiques du traitement

L'hydrogène, lorsqu'il est mélangé à l'air, forme un mélange explosif, appelé gaz détonant. Ce gaz est plus explosif lorsque le rapport volumique de l'hydrogène et de l'oxygène est de 2:1, ou que l'hydrogène et l'air sont d'environ 2:5, puisque l'air contient environ 21 % d'oxygène. L'hydrogène présente également un risque d'incendie. L'hydrogène liquide peut provoquer de graves engelures s'il entre en contact avec la peau.

Les concentrations explosives d'hydrogène et d'oxygène varient de 4 à 96 % en volume. Lorsqu'il est mélangé avec de l'air de 4 % à 75(74) % en volume.

Économie

Le coût de l’hydrogène pour les gros approvisionnements en gros varie de 2 à 5 dollars par kg.

Application

L'hydrogène atomique est utilisé pour le soudage à l'hydrogène atomique.

Industrie chimique

Dans la production d'ammoniac, de méthanol, de savon et de plastiques
Dans la production de margarine à partir d'huiles végétales liquides
Enregistré comme complément alimentaire E949(gaz d'emballage)

Industrie alimentaire

Industrie aéro-nautique

L'hydrogène est très léger et s'élève toujours dans l'air. Il était une fois des dirigeables et des ballons rempli d'hydrogène. Mais dans les années 30. XXe siècle Il y a eu plusieurs catastrophes au cours desquelles des dirigeables ont explosé et brûlé. De nos jours, les dirigeables sont remplis d’hélium, malgré son coût nettement plus élevé.

Carburant

L'hydrogène est utilisé comme carburant pour les fusées.

Des recherches sont en cours sur l’utilisation de l’hydrogène comme carburant pour les voitures et les camions. Moteurs à hydrogène ne pas polluer environnement et ne libère que de la vapeur d'eau.

Les piles à combustible hydrogène-oxygène utilisent l’hydrogène pour convertir directement l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique.

"Hydrogène liquide"(« LH ») est l'état liquide de l'hydrogène, avec une faible densité spécifique de 0,07 g/cm³ et des propriétés cryogéniques avec un point de congélation de 14,01 K (−259,14 °C) et un point d'ébullition de 20,28 K (−252,87 °C). ). C'est un liquide incolore et inodore qui, mélangé à l'air, est classé comme substances explosives avec une plage de coefficient d'inflammabilité de 4 à 75 %. Le rapport de rotation des isomères dans l'hydrogène liquide est : 99,79 % - parahydrogène ; 0,21% - orthohydrogène. Coefficient de dilatation de l'hydrogène lors du changement état d'agrégation au gazeux est de 848:1 à 20°C.

Comme pour tout autre gaz, la liquéfaction de l’hydrogène entraîne une diminution de son volume. Après liquéfaction, le liquide liquide est stocké dans des conteneurs thermiquement isolés sous pression. Hydrogène liquide Hydrogène liquide, LH2, LH2) est activement utilisé dans l'industrie, comme forme de stockage de gaz, et dans l'industrie spatiale, comme carburant pour fusées.

Histoire

La première utilisation documentée de la réfrigération artificielle a été réalisée par le scientifique anglais William Cullen en 1756, Gaspard Monge fut le premier à obtenir l'état liquide de l'oxyde de soufre en 1784, Michael Faraday fut le premier à obtenir de l'ammoniac liquéfié, l'inventeur américain Oliver Evans a été le premier à développer compresseur de réfrigération en 1805, Jacob Perkins fut le premier à breveter une machine frigorifique en 1834, et John Gorey fut le premier à breveter un climatiseur aux États-Unis en 1851. Werner Siemens a proposé le concept de refroidissement régénératif en 1857, Karl Linde a breveté un équipement de production d'air liquide utilisant une cascade « effet de détente Joule-Thomson » et un refroidissement régénératif en 1876. En 1885, le physicien et chimiste polonais Zygmunt Wroblewski a publié la température critique de l'hydrogène de 33 K et la pression critique de 13,3 atm. et point d'ébullition à 23 K. L'hydrogène a été liquéfié pour la première fois par James Dewar en 1898 en utilisant le refroidissement régénératif et son invention, le flacon de Dewar. La première synthèse d'un isomère stable de l'hydrogène liquide, le parahydrogène, a été réalisée par Paul Harteck et Carl Bonhoeffer en 1929.

Isomères de spin de l'hydrogène

L’hydrogène à température ambiante est principalement constitué d’un isomère de spin, l’orthohydrogène. Après production, l’hydrogène liquide est dans un état métastable et doit être converti en forme parahydrogène afin d’éviter la réaction exothermique explosive qui se produit lorsqu’il change à basse température. La conversion en phase parahydrogène se fait généralement à l'aide de catalyseurs tels que l'oxyde de fer, l'oxyde de chrome, Charbon actif amiante revêtue de platine, métaux des terres rares ou grâce à l'utilisation d'additifs à base d'uranium ou de nickel.

Usage

L'hydrogène liquide peut être utilisé comme forme de stockage de carburant pour les moteurs à combustion interne et réservoirs de carburant. Divers sous-marins (projets "212A" et "214", Allemagne) et concepts de transport d'hydrogène ont été créés à partir de cette forme globale d'hydrogène (voir par exemple "DeepC" ou "BMW H2R"). Du fait de la proximité des conceptions, les créateurs d'équipements PCI peuvent utiliser ou modifier uniquement des systèmes utilisant du gaz naturel liquéfié (GNL). Cependant, en raison de la densité énergétique volumétrique plus faible, la combustion nécessite un volume d’hydrogène plus important que le gaz naturel. Si de l'hydrogène liquide est utilisé à la place du « GNC » dans les moteurs à pistons, une plus grande Système de carburant. Avec l'injection directe, l'augmentation des pertes dans le conduit d'admission réduit le remplissage des cylindres.

L'hydrogène liquide est également utilisé pour refroidir les neutrons dans les expériences de diffusion de neutrons. Les masses du neutron et du noyau d'hydrogène sont presque égales, l'échange d'énergie lors d'une collision élastique est donc le plus efficace.

Avantages

L’avantage de l’utilisation de l’hydrogène est le « zéro émission » de son utilisation. Le produit de son interaction avec l’air est l’eau.

Obstacles

Un litre de « ZhV » ne pèse que 0,07 kg. Autrement dit, sa densité est de 70,99 g/l à 20 K. L'hydrogène liquide nécessite une technologie de stockage cryogénique, telle que des conteneurs spéciaux isolés thermiquement, et nécessite une manipulation particulière, typique de tous les matériaux cryogéniques. Il est proche à cet égard de l'oxygène liquide, mais nécessite une plus grande prudence en raison du risque d'incendie. Même avec des conteneurs isolés, il est difficile de le conserver aux basses températures nécessaires pour le garder liquide (il s'évapore généralement à raison de 1 % par jour). Lors de sa manipulation, vous devez également suivre les précautions de sécurité habituelles lorsque vous travaillez avec de l'hydrogène : il est suffisamment froid pour liquéfier l'air, qui est explosif.

Carburant de fusée

L'hydrogène liquide est un composant courant des carburants pour fusées, utilisé pour propulser les lanceurs et les engins spatiaux. Dans la plupart des moteurs-fusées à hydrogène liquide, il est d’abord utilisé pour refroidir de manière régénérative la tuyère et d’autres pièces du moteur avant d’être mélangé à un comburant et brûlé pour produire une poussée. Les moteurs modernes utilisant des composants H 2 /O 2 consomment un mélange carburé sur-enrichi en hydrogène, ce qui conduit à une certaine quantité d'hydrogène non brûlé dans les gaz d'échappement. En plus d'augmenter l'impulsion spécifique du moteur en réduisant le poids moléculaire, cela réduit également l'érosion de la tuyère et de la chambre de combustion.

De tels obstacles à l'utilisation de la LH dans d'autres domaines, tels que la nature cryogénique et la faible densité, constituent également un facteur limitant pour son utilisation dans dans ce cas. Depuis 2009, il n'existe qu'un seul lanceur (lanceur Delta-4), qui est entièrement une fusée à hydrogène. Fondamentalement, "ZhV" est utilisé soit sur les étages supérieurs des fusées, soit sur des blocs, qui effectuent une partie importante du travail de lancement de la charge utile dans l'espace dans le vide. Parmi les mesures visant à augmenter la densité de ce type de carburant, il est proposé d'utiliser de l'hydrogène de type boue, c'est-à-dire une forme semi-gelée d'« hydrogène liquide ».

Il a sa propre position spécifique dans le tableau périodique, qui reflète les propriétés qu'il présente et parle de sa structure électronique. Cependant, parmi eux, il existe un atome spécial qui occupe deux cellules à la fois. Il se situe dans deux groupes d'éléments complètement opposés dans leurs propriétés. C'est de l'hydrogène. Ces caractéristiques le rendent unique.

L'hydrogène n'est pas seulement un élément, mais aussi une substance simple, ainsi qu'une partie intégrante de nombreux composés complexes, un élément biogénique et organogène. Examinons donc plus en détail ses caractéristiques et ses propriétés.

L'hydrogène comme élément chimique

L'hydrogène est un élément du premier groupe du sous-groupe principal, ainsi que du septième groupe du sous-groupe principal de la première période mineure. Cette période se compose de seulement deux atomes : l’hélium et l’élément que nous considérons. Décrivons les principales caractéristiques de la position de l'hydrogène dans le tableau périodique.

Le numéro atomique de l'hydrogène est 1, le nombre d'électrons est le même et, par conséquent, le nombre de protons est le même. Masse atomique - 1,00795. Il existe trois isotopes de cet élément avec des numéros de masse 1, 2, 3. Cependant, les propriétés de chacun d'eux sont très différentes, puisqu'une augmentation de masse, même d'un pour l'hydrogène, est immédiatement doublée.
Le fait qu’il ne contienne qu’un seul électron sur sa surface externe lui permet de présenter avec succès des propriétés à la fois oxydantes et réductrices. De plus, après avoir donné un électron, il reste avec une orbitale libre, qui participe à la formation liaisons chimiques selon le mécanisme donneur-accepteur.
L'hydrogène est un puissant agent réducteur. Par conséquent, sa place principale est considérée comme le premier groupe du sous-groupe principal, où il dirige les métaux les plus actifs - les alcalis.
Cependant, lorsqu’il interagit avec des agents réducteurs puissants, tels que les métaux, il peut également s’agir d’un agent oxydant, acceptant un électron. Ces composés sont appelés hydrures. Selon cette caractéristique, il est en tête du sous-groupe des halogènes avec lequel il est similaire.
En raison de sa très petite masse atomique, l’hydrogène est considéré comme l’élément le plus léger. De plus, sa densité est également très faible, c'est donc aussi une référence en matière de légèreté.

Ainsi, il est évident que l’atome d’hydrogène est un élément tout à fait unique, contrairement à tous les autres éléments. Par conséquent, ses propriétés sont également particulières et les substances simples et complexes formées sont très importantes. Considérons-les plus en détail.

Substance simple

Si nous parlons de cet élément comme d'une molécule, alors nous devons dire qu'il est diatomique. Autrement dit, l’hydrogène (une substance simple) est un gaz. Sa formule empirique s'écrira H2 et sa formule graphique sera écrite via une relation simple sigma H-H. Le mécanisme de formation des liaisons entre les atomes est covalent non polaire.

Reformage du méthane à la vapeur.
Gazéification du charbon - le processus consiste à chauffer le charbon à 1 000 0 C, entraînant la formation d'hydrogène et de charbon à haute teneur en carbone.
Électrolyse. Cette méthode ne peut être utilisée que pour des solutions aqueuses de sels divers, car les fusions n'entraînent pas de rejet d'eau à la cathode.

Méthodes de laboratoire pour produire de l'hydrogène :

Hydrolyse des hydrures métalliques.
L'effet des acides dilués sur les métaux actifs et l'activité moyenne.
Interaction des métaux alcalins et alcalino-terreux avec l'eau.

Pour récupérer l’hydrogène produit, vous devez tenir le tube à essai à l’envers. Ce gaz ne peut en effet pas être collecté de la même manière que le dioxyde de carbone, par exemple. C'est de l'hydrogène, il est beaucoup plus léger que l'air. Il s'évapore rapidement et grandes quantités Explose lorsqu'il est mélangé à l'air. Par conséquent, le tube à essai doit être inversé. Après l'avoir rempli, il doit être fermé avec un bouchon en caoutchouc.

Pour vérifier la pureté de l'hydrogène collecté, vous devez porter une allumette allumée au cou. Si le claquement est sourd et silencieux, cela signifie que le gaz est propre, avec un minimum d'impuretés dans l'air. S'il est bruyant et siffle, il est sale, avec une forte proportion de composants étrangers.

Domaines d'utilisation

Lorsque l’hydrogène est brûlé, une grande quantité est libérée un grand nombre deénergie (chaleur), que ce gaz est considéré comme le combustible le plus rentable. De plus, il est respectueux de l’environnement. Cependant, à ce jour, son application dans ce domaine est limitée. Cela est dû aux problèmes mal pensés et non résolus de la synthèse de l'hydrogène pur, qui pourrait être utilisé comme combustible dans les réacteurs, les moteurs et les appareils portables, ainsi que chaudières de chauffage bâtiments résidentiels.

Après tout, les méthodes de production de ce gaz sont assez coûteuses, il est donc nécessaire de développer d'abord une méthode de synthèse spéciale. Celui qui vous permettra d'obtenir le produit en grand volume et à un coût minime.

Il existe plusieurs domaines principaux dans lesquels le gaz que nous envisageons est utilisé.

Synthèses chimiques. L'hydrogénation est utilisée pour produire des savons, des margarines et des plastiques. Avec la participation de l'hydrogène, du méthanol et de l'ammoniac, ainsi que d'autres composés, sont synthétisés.
Dans l'industrie alimentaire - comme additif E949.
Industrie aéronautique (fusée scientifique, construction aéronautique).
Industrie de l’énergie électrique.
Météorologie.
Carburant respectueux de l'environnement.

Évidemment, l’hydrogène est aussi important qu’il est abondant dans la nature. Les différents composés qu’il forme jouent un rôle encore plus important.

Composés d'hydrogène

Ce sont des substances complexes contenant des atomes d'hydrogène. Il existe plusieurs types principaux de ces substances.

Halogénures d'hydrogène. Formule générale- HHal. Parmi eux, le chlorure d’hydrogène est particulièrement important. C'est un gaz qui se dissout dans l'eau pour former une solution d'acide chlorhydrique. Cet acide est largement utilisé dans presque tous synthèses chimiques. De plus, à la fois organiques et inorganiques. Le chlorure d'hydrogène est un composé de formule empirique HCL et est l'un des plus importants produits chaque année dans notre pays. Les halogénures d'hydrogène comprennent également l'iodure d'hydrogène, le fluorure d'hydrogène et le bromure d'hydrogène. Ils forment tous les acides correspondants.
Volatil Presque tous sont des gaz assez toxiques. Par exemple, le sulfure d'hydrogène, le méthane, le silane, la phosphine et autres. En même temps, ils sont très inflammables.
Les hydrures sont des composés avec des métaux. Ils appartiennent à la classe des sels.
Hydroxydes : bases, acides et composés amphotères. Ils contiennent nécessairement des atomes d'hydrogène, un ou plusieurs. Exemple : NaOH, K 2, H 2 SO 4 et autres.
Hydroxyde d'hydrogène. Ce composé est mieux connu sous le nom d’eau. Un autre nom est l'oxyde d'hydrogène. La formule empirique ressemble à ceci - H 2 O.
Peroxyde d'hydrogène. Il s'agit d'un agent oxydant puissant dont la formule est H 2 O 2.
De nombreux composés organiques : hydrocarbures, protéines, graisses, lipides, vitamines, hormones, huiles essentielles et d'autres.

Il est évident que la variété des composés de l’élément que nous considérons est très grande. Cela confirme une fois de plus sa grande importance pour la nature et l’homme, ainsi que pour tous les êtres vivants.

- c'est le meilleur solvant

Comme mentionné ci-dessus, le nom commun de cette substance est eau. Se compose de deux atomes d'hydrogène et d'un oxygène, reliés par des liaisons polaires covalentes. La molécule d’eau est un dipôle, ce qui explique bon nombre des propriétés qu’elle présente. C’est notamment un solvant universel.

C'est dans le milieu aquatique que se produisent presque tous les processus chimiques. Les réactions internes du métabolisme plastique et énergétique dans les organismes vivants sont également réalisées à l'aide d'oxyde d'hydrogène.

L'eau est à juste titre considérée comme la substance la plus importante de la planète. On sait qu’aucun organisme vivant ne peut vivre sans lui. Sur Terre, il peut exister dans trois états d'agrégation :

liquide;
gaz (vapeur);
solide (glace).

Selon l'isotope de l'hydrogène inclus dans la molécule, on distingue trois types d'eau.

Lumière ou protium. Un isotope de masse numéro 1. Formule - H 2 O. C'est la forme habituelle utilisée par tous les organismes.
Deutérium ou lourd, sa formule est D 2 O. Contient l'isotope 2 H.
Super lourd ou tritium. La formule ressemble à T 3 O, isotope - 3 H.

Les réserves d'eau douce de protium sur la planète sont très importantes. Il y en a déjà une pénurie dans de nombreux pays. Des méthodes sont en cours de développement pour traiter l’eau salée afin de produire de l’eau potable.

Le peroxyde d'hydrogène est un remède universel

Ce composé, comme mentionné ci-dessus, est un excellent agent oxydant. Cependant, avec des représentants forts, il peut aussi se comporter en restaurateur. De plus, il a un effet bactéricide prononcé.

Un autre nom pour ce composé est peroxyde. C'est sous cette forme qu'il est utilisé en médecine. Une solution à 3% d'hydrate cristallin du composé en question est un médicament médical utilisé pour traiter les petites plaies dans le but de les désinfecter. Cependant, il a été prouvé que cela augmente le temps de cicatrisation de la plaie.

Le peroxyde d'hydrogène est également utilisé dans le carburant des fusées, dans l'industrie pour la désinfection et le blanchiment, et comme agent moussant pour la production de matériaux appropriés (mousse par exemple). De plus, le peroxyde aide à nettoyer les aquariums, à décolorer les cheveux et à blanchir les dents. Cependant, il endommage les tissus et n'est donc pas recommandé par les spécialistes à ces fins.

DÉFINITION

Hydrogène– le premier élément du Tableau Périodique des Éléments Chimiques D.I. Mendeleïev. Symbole - N.

Masse atomique – 1 amu. La molécule d'hydrogène est diatomique – H2.

La configuration électronique de l'atome d'hydrogène est 1s 1. L'hydrogène appartient à la famille des éléments s. Dans ses composés, il présente les états d'oxydation -1, 0, +1. L'hydrogène naturel se compose de deux isotopes stables - le protium 1H (99,98 %) et le deutérium 2H (D) (0,015 %) - et de l'isotope radioactif tritium 3H (T) (traces, demi-vie - 12,5 ans) .

Propriétés chimiques de l'hydrogène

Dans des conditions normales, l'hydrogène moléculaire présente une réactivité relativement faible, ce qui s'explique par la force élevée des liaisons dans la molécule. Lorsqu'il est chauffé, il interagit avec presque toutes les substances simples formées par des éléments des principaux sous-groupes (à l'exception des gaz rares, B, Si, P, Al). DANS réactions chimiques peut agir à la fois comme agent réducteur (plus souvent) et comme agent oxydant (moins souvent).

Expositions sur l'hydrogène propriétés de l'agent réducteur(H 2 0 -2e → 2H +) dans les réactions suivantes :

1. Réactions d'interaction avec des substances simples - non-métaux. L'hydrogène réagit avec des halogènes, en outre, la réaction d'interaction avec le fluor dans des conditions normales, dans l'obscurité, avec une explosion, avec le chlore - sous éclairage (ou irradiation UV) selon un mécanisme en chaîne, avec le brome et l'iode uniquement lorsqu'ils sont chauffés ; oxygène(un mélange d'oxygène et d'hydrogène dans un rapport volumique de 2:1 est appelé « gaz explosif »), gris, azote Et carbone:

H2 + Hal2 = 2HHal ;

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 – 300 °C) ;

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt) ;

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Réactions d'interaction avec des substances complexes. L'hydrogène réagit avec des oxydes de métaux peu actifs, et il est capable de réduire uniquement les métaux qui se trouvent dans la série d'activités à droite du zinc :

CuO + H 2 = Cu + H 2 O (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O (t).

L'hydrogène réagit avec des oxydes non métalliques:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

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

L'hydrogène entre dans des réactions d'hydrogénation avec composés organiques classe des cycloalcanes, alcènes, arènes, aldéhydes et cétones, etc. Toutes ces réactions sont réalisées avec chauffage, sous pression, en utilisant du platine ou du nickel comme catalyseurs :

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3 ;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12 ;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .

Hydrogène comme agent oxydant(H 2 +2e → 2H -) apparaît dans les réactions avec les métaux alcalins et alcalino-terreux. Dans ce cas, des hydrures se forment - des composés ioniques cristallins dans lesquels l'hydrogène présente un état d'oxydation de -1.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Propriétés physiques de l'hydrogène

L'hydrogène est un gaz léger, incolore et inodore, de densité aux conditions ambiantes. – 0,09 g/l, 14,5 fois plus léger que l'air, t ébullition = -252,8C, t pl = - 259,2C. L'hydrogène est peu soluble dans l'eau et les solvants organiques ; il est très soluble dans certains métaux : nickel, palladium, platine.

Selon la cosmochimie moderne, l’hydrogène est l’élément le plus répandu dans l’Univers. La principale forme d’existence de l’hydrogène dans l’espace est constituée d’atomes individuels. L'hydrogène est le 9ème élément le plus abondant sur Terre parmi tous les éléments. La principale quantité d'hydrogène sur Terre est à l'état lié - dans la composition de l'eau, du pétrole, du gaz naturel, du charbon, etc. L'hydrogène se trouve rarement sous la forme d'une substance simple - dans la composition des gaz volcaniques.

Production d'hydrogène

Il existe des méthodes de laboratoire et industrielles pour produire de l’hydrogène. Les méthodes de laboratoire incluent l'interaction des métaux avec les acides (1), ainsi que l'interaction de l'aluminium avec des solutions aqueuses d'alcalis (2). Parmi les méthodes industrielles de production d'hydrogène, l'électrolyse de solutions aqueuses d'alcalis et de sels (3) et la conversion du méthane (4) jouent un rôle important :

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercice

Lorsque 23,8 g d'étain métallique ont réagi avec un excès d'acide chlorhydrique, de l'hydrogène a été libéré en quantité suffisante pour obtenir 12,8 g de cuivre métallique. Déterminez l'état d'oxydation de l'étain dans le composé résultant.

Solution

Basé structure électronique atome d'étain (...5s 2 5p 2), nous pouvons conclure que l'étain est caractérisé par deux états d'oxydation - +2, +4. Sur cette base, nous créons des équations pour les réactions possibles :

Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1);

Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2);

CuO + H 2 = Cu + H 2 O (3).

Trouvons la quantité de substance cuivrée :

v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 mol.

D'après l'équation 3, la quantité de substance hydrogène :

v(H 2) = v(Cu) = 0,2 mol.

Connaissant la masse de l'étain, on trouve sa quantité de substance :

v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 mol.

Comparons les quantités de substances étain et hydrogène selon les équations 1 et 2 et selon les conditions du problème :

v 1 (Sn) : v 1 (H 2) = 1:1 (équation 1) ;

v 2 (Sn) : v 2 (H 2) = 1:2 (équation 2) ;

v(Sn) : v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (condition problématique).

Par conséquent, l'étain réagit avec l'acide chlorhydrique selon l'équation 1 et l'état d'oxydation de l'étain est +2.

Répondre

L'état d'oxydation de l'étain est +2.

EXEMPLE 2

Exercice

Le gaz libéré par l'action de 2,0 g de zinc pour 18,7 ml d'acide chlorhydrique à 14,6 % (densité de la solution 1,07 g/ml) a été traversé lorsqu'il a été chauffé sur 4,0 g d'oxyde de cuivre (II). Quelle est la masse du mélange solide obtenu ?

Solution

Lorsque le zinc réagit avec l'acide chlorhydrique, de l'hydrogène est libéré :

Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (1),

qui, lorsqu'il est chauffé, réduit l'oxyde de cuivre (II) en cuivre (2) :

CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

Trouvons les quantités de substances dans la première réaction :

m (solution HCl) = 18,7. 1,07 = 20,0 g ;

m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g ;

v(HCl) = 2,92/36,5 = 0,08 mole ;

v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mole.

Le zinc étant rare, la quantité d’hydrogène libérée est de :

v(H 2) = v(Zn) = 0,031 mol.

Dans la deuxième réaction, l’hydrogène est rare car :

v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 mol.

À la suite de la réaction, 0,031 mole de CuO se transformera en 0,031 mole de Cu et la perte de masse sera de :

m(СuО) – m(Сu) = 0,031×80 – 0,031×64 = 0,50 g.

La masse du mélange solide de CuO et Cu après passage de l'hydrogène sera :

4,0-0,5 = 3,5 g.

Répondre

La masse du mélange solide de CuO et Cu est de 3,5 g.

Les méthodes industrielles de production de substances simples dépendent de la forme sous laquelle l'élément correspondant se trouve dans la nature, c'est-à-dire de la matière première pour sa production. Ainsi, l'oxygène, disponible à l'état libre, est obtenu physiquement - par séparation de l'air liquide. Presque tout l’hydrogène se présente sous forme de composés, c’est pourquoi des méthodes chimiques sont utilisées pour l’obtenir. En particulier, des réactions de décomposition peuvent être utilisées. Une façon de produire de l’hydrogène consiste à décomposer l’eau par le courant électrique.

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

En laboratoire, pour obtenir des substances simples, ils n'utilisent pas nécessairement de matières premières naturelles, mais choisissent les matières premières à partir desquelles il est plus facile d'isoler la substance requise. Par exemple, en laboratoire, l’oxygène ne provient pas de l’air. Il en va de même pour la production d’hydrogène. L'une des méthodes de production d'hydrogène en laboratoire, parfois utilisée dans l'industrie, est la décomposition de l'eau par le courant électrique.

Généralement, l’hydrogène est produit en laboratoire en faisant réagir du zinc avec de l’acide chlorhydrique.

Dans l'industrie

1.Électrolyse de solutions aqueuses salines :

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Faire passer de la vapeur d'eau sur du coca chaudà des températures autour de 1000°C :

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Du gaz naturel.

Conversion vapeur : CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Oxydation catalytique avec l'oxygène : 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Craquage et reformage des hydrocarbures lors du raffinage du pétrole.

Dans le laboratoire

1.L'effet des acides dilués sur les métaux. Pour réaliser cette réaction, le zinc et l'acide chlorhydrique sont le plus souvent utilisés :

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interaction du calcium avec l'eau :

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hydrolyse des hydrures :

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Effet des alcalis sur le zinc ou l'aluminium :

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

5.Utilisation de l'électrolyse. Lors de l'électrolyse de solutions aqueuses d'alcalis ou d'acides, de l'hydrogène est libéré au niveau de la cathode, par exemple :

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

Bioréacteur pour la production d'hydrogène

Propriétés physiques

L'hydrogène gazeux peut exister sous deux formes (modifications) - sous forme d'ortho et de para-hydrogène.

Dans une molécule d'orthohydrogène (point de fusion −259,10 °C, point d'ébullition −252,56 °C), les spins nucléaires sont dirigés de manière identique (parallèle), et dans le parahydrogène (point de fusion −259,32 °C, point d'ébullition -252,89 °C) - opposés les uns aux autres (antiparallèles).

Les formes allotropiques de l'hydrogène peuvent être séparées par adsorption sur charbon actif à la température de l'azote liquide. À très basse température, l’équilibre entre orthohydrogène et parahydrogène est presque entièrement déplacé vers ce dernier. À 80 K, le rapport des formes est d'environ 1:1. Lorsqu'il est chauffé, le parahydrogène désorbé est converti en orthohydrogène jusqu'à formation d'un mélange équilibré à température ambiante (ortho-para : 75 : 25). Sans catalyseur, la transformation se produit lentement, ce qui permet d'étudier les propriétés de formes allotropiques individuelles. La molécule d'hydrogène est diatomique - H₂. Dans des conditions normales, c'est un gaz incolore, inodore et insipide. L'hydrogène est le gaz le plus léger, sa densité est plusieurs fois inférieure à celle de l'air. Évidemment, plus la masse des molécules est faible, plus leur vitesse est élevée à la même température. En tant que molécules les plus légères, les molécules d’hydrogène se déplacent plus rapidement que les molécules de tout autre gaz et peuvent ainsi transférer la chaleur d’un corps à un autre plus rapidement. Il s’ensuit que l’hydrogène possède la conductivité thermique la plus élevée parmi les substances gazeuses. Sa conductivité thermique est environ sept fois supérieure à la conductivité thermique de l'air.

Propriétés chimiques

Les molécules d'hydrogène H₂ sont assez fortes, et pour que l'hydrogène réagisse, il faut dépenser beaucoup d'énergie : H 2 = 2H - 432 kJ Par conséquent, à des températures ordinaires, l'hydrogène ne réagit qu'avec des métaux très actifs, par exemple le calcium, formant du calcium hydrure : Ca + H 2 = CaH 2 et avec le seul non-métal - fluor, formant du fluorure d'hydrogène : F 2 + H 2 = 2HF Avec la plupart des métaux et non-métaux, l'hydrogène réagit à des températures élevées ou sous d'autres influences, par exemple , éclairage. Il peut « enlever » l'oxygène de certains oxydes, par exemple : CuO + H 2 = Cu + H 2 0 L'équation écrite reflète la réaction de réduction. Les réactions de réduction sont des processus dans lesquels l'oxygène est éliminé d'un composé ; Les substances qui absorbent l’oxygène sont appelées agents réducteurs (elles s’oxydent elles-mêmes). Par la suite, une autre définition des concepts « oxydation » et « réduction » sera donnée. UN cette définition, historiquement le premier, reste important aujourd’hui, notamment dans chimie organique. La réaction de réduction est l’opposé de la réaction d’oxydation. Ces deux réactions se produisent toujours simultanément comme un seul processus : lorsqu'une substance est oxydée (réduite), la réduction (oxydation) d'une autre se produit nécessairement simultanément.

N2 + 3H2 → 2NH3

Formes avec halogènes halogénures d'hydrogène:

F 2 + H 2 → 2 HF, la réaction se produit de manière explosive dans l'obscurité et à n'importe quelle température, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, la réaction se produit de manière explosive, uniquement à la lumière.

Il interagit avec la suie sous forte chaleur :

C + 2H 2 → CH 4

Interaction avec les métaux alcalins et alcalino-terreux

L'hydrogène se forme avec des métaux actifs hydrures:

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

Hydrures- substances salines, solides, facilement hydrolysables :

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Interaction avec des oxydes métalliques (généralement des éléments D)

Les oxydes sont réduits en métaux :

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

Hydrogénation de composés organiques

Lorsque l'hydrogène agit sur des hydrocarbures insaturés en présence d'un catalyseur au nickel et à des températures élevées, une réaction se produit hydrogénation:

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

L'hydrogène réduit les aldéhydes en alcools :

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Géochimie de l'hydrogène

Hydrogène - basique materiel de construction univers. C'est l'élément le plus courant et tous les éléments en sont formés à la suite de réactions thermonucléaires et nucléaires.

L'hydrogène H2 libre est relativement rare dans les gaz terrestres, mais sous forme d'eau, il joue un rôle extrêmement important dans les processus géochimiques.

L'hydrogène peut être présent dans les minéraux sous forme d'ions ammonium, d'ions hydroxyle et d'eau cristalline.

Dans l’atmosphère, de l’hydrogène est produit en permanence à la suite de la décomposition de l’eau par le rayonnement solaire. Il migre vers la haute atmosphère et s’échappe dans l’espace.

Application

Énergie hydrogène

L'hydrogène atomique est utilisé pour le soudage à l'hydrogène atomique.

Dans l’industrie agroalimentaire, l’hydrogène est enregistré comme additif alimentaire E949, comme le gaz d’emballage.

Caractéristiques du traitement

Les concentrations explosives d'hydrogène et d'oxygène varient de 4 à 96 % en volume. Lorsqu'il est mélangé avec de l'air de 4 % à 75(74) % en volume.

Utilisation de l'hydrogène

Dans l’industrie chimique, l’hydrogène est utilisé dans la production d’ammoniac, de savon et de plastiques. Dans l’industrie alimentaire, la margarine est fabriquée à partir d’huiles végétales liquides utilisant de l’hydrogène. L'hydrogène est très léger et s'élève toujours dans l'air. Il était une fois des dirigeables et des ballons remplis d’hydrogène. Mais dans les années 30. XXe siècle Plusieurs catastrophes terribles se sont produites lorsque des dirigeables ont explosé et brûlé. De nos jours, les dirigeables sont remplis d’hélium. L'hydrogène est également utilisé comme carburant pour les fusées. Un jour, l’hydrogène pourrait être largement utilisé comme carburant pour les voitures et les camions. Les moteurs à hydrogène ne polluent pas l’environnement et n’émettent que de la vapeur d’eau (même si la production d’hydrogène elle-même entraîne une certaine pollution de l’environnement). Notre Soleil est principalement constitué d’hydrogène. La chaleur et la lumière solaires sont le résultat de la libération d’énergie nucléaire issue de la fusion de noyaux d’hydrogène.

Utiliser l’hydrogène comme carburant (rentable)

La caractéristique la plus importante des substances utilisées comme combustible est leur chaleur de combustion. Du cours de chimie générale, on sait que la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène se produit avec dégagement de chaleur. Si vous prenez 1 mol H 2 (2 g) et 0,5 mol O 2 (16 g) à conditions standards et exciter une réaction, alors selon l'équation

H 2 + 0,5 O 2 = H 2 O

une fois la réaction terminée, 1 mole de H 2 O (18 g) est formée avec libération d'énergie de 285,8 kJ/mol (à titre de comparaison : la chaleur de combustion de l'acétylène est de 1300 kJ/mol, du propane - 2200 kJ/mol) . 1 m³ d'hydrogène pèse 89,8 g (44,9 mol). Ainsi, pour produire 1 m³ d’hydrogène, 12 832,4 kJ d’énergie seront dépensés. En tenant compte du fait que 1 kWh = 3600 kJ, nous obtenons 3,56 kWh d'électricité. Connaissant le tarif de 1 kWh d'électricité et le coût de 1 m³ de gaz, on peut conclure qu'il est conseillé de passer à l'hydrogène carburant.

Par exemple, le modèle expérimental Honda FCX de 3e génération avec un réservoir d'hydrogène de 156 litres (contient 3,12 kg d'hydrogène sous une pression de 25 MPa) parcourt 355 km. Ainsi, à partir de 3,12 kg H2, on obtient 123,8 kWh. Aux 100 km, la consommation d'énergie sera de 36,97 kWh. Connaissant le coût de l'électricité, le coût du gaz ou de l'essence et leur consommation pour une voiture aux 100 km, il est facile de calculer l'effet économique négatif du passage des voitures à l'hydrogène. Disons (Russie 2008) que 10 cents par kWh d'électricité conduisent au fait que 1 m³ d'hydrogène entraîne un prix de 35,6 cents, et en tenant compte de l'efficacité de décomposition de l'eau de 40 à 45 cents, la même quantité de kWh la combustion de l'essence coûte 12 832,4 kJ/42 000 kJ/0,7 kg/l*80 cents/l=34 cents au prix de détail, alors que pour l'hydrogène, nous avons calculé option parfaite, sans tenir compte du transport, de la dépréciation des équipements, etc. Pour du méthane avec une énergie de combustion d'environ 39 MJ par m³, le résultat sera deux à quatre fois inférieur en raison de la différence de prix (1 m³ pour l'Ukraine coûte 179 $, et pour l'Europe 350 $) . Autrement dit, une quantité équivalente de méthane coûtera 10 à 20 centimes.

Cependant, il ne faut pas oublier que lorsque nous brûlons de l'hydrogène, nous obtenons eau propre, dont il a été extrait. Autrement dit, nous avons une énergie renouvelable accapareur l'énergie sans nuire à l'environnement, contrairement au gaz ou à l'essence qui sont des sources d'énergie primaires.

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