Propriétés chimiques des réactions de l'hydrogène. Propriétés physiques de l'hydrogène
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 des composés organiques de la classe des cycloalcanes, des alcènes, des arènes, des aldéhydes et des cétones, etc. Toutes ces réactions sont réalisées en chauffant, 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 | Sur la base de la structure électronique de l'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 | Quand le zinc agit sur acide hydrochlorique 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. |
L'atome d'hydrogène a la formule électronique de l'électron externe (et unique) de niveau 1 s 1 . D’une part, en termes de présence d’un électron au niveau électronique externe, l’atome d’hydrogène est similaire aux atomes de métaux alcalins. Cependant, tout comme les halogènes, il n’a besoin que d’un seul électron pour remplir le niveau électronique externe, puisque le premier niveau électronique ne peut contenir plus de 2 électrons. Il s'avère que l'hydrogène peut être placé simultanément dans le premier et l'avant-dernier (septième) groupe du tableau périodique, ce qui se fait parfois en diverses options système périodique :
Du point de vue des propriétés de l'hydrogène en tant que substance simple, il a encore plus de points communs avec les halogènes. L'hydrogène, comme les halogènes, est un non-métal et forme comme eux des molécules diatomiques (H 2).
Dans des conditions normales, l’hydrogène est une substance gazeuse peu active. La faible activité de l'hydrogène s'explique par la forte résistance des liaisons entre les atomes d'hydrogène de la molécule, dont la rupture nécessite soit un fort chauffage, soit l'utilisation de catalyseurs, soit les deux.
Interaction de l'hydrogène avec des substances simples
avec des métaux
Parmi les métaux, l'hydrogène ne réagit qu'avec les métaux alcalins et alcalino-terreux ! Les métaux alcalins comprennent les métaux du sous-groupe principal Groupe I(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) et métaux alcalino-terreux - métaux du sous-groupe principal du groupe II, à l'exception du béryllium et du magnésium (Ca, Sr, Ba, Ra)
Lors de l'interaction avec des métaux actifs, l'hydrogène présente propriétés oxydantes, c'est à dire. abaisse son état d'oxydation. Dans ce cas, il se forme des hydrures de métaux alcalins et alcalino-terreux, qui ont une structure ionique. La réaction se produit lorsqu'elle est chauffée :
Il convient de noter que l'interaction avec les métaux actifs est le seul cas où l'hydrogène moléculaire H2 est un agent oxydant.
avec des non-métaux
Parmi les non-métaux, l'hydrogène ne réagit qu'avec le carbone, l'azote, l'oxygène, le soufre, le sélénium et les halogènes !
Le carbone doit être compris comme du graphite ou du carbone amorphe, car le diamant est un matériau extrêmement inerte. modification allotropique carbone.
Lorsqu'il interagit avec des non-métaux, l'hydrogène ne peut remplir que la fonction d'agent réducteur, c'est-à-dire uniquement augmenter son état d'oxydation :
Interaction de l'hydrogène avec des substances complexes
avec des oxydes métalliques
L'hydrogène ne réagit pas avec les oxydes métalliques qui appartiennent à la série d'activités des métaux jusqu'à l'aluminium (inclus), cependant, il est capable de réduire de nombreux oxydes métalliques à droite de l'aluminium lorsqu'il est chauffé :
avec des oxydes non métalliques
Parmi les oxydes non métalliques, l'hydrogène réagit lorsqu'il est chauffé avec les oxydes d'azote, d'halogènes et de carbone. Parmi toutes les interactions de l’hydrogène avec les oxydes non métalliques, sa réaction avec le monoxyde de carbone CO est particulièrement remarquable.
Le mélange de CO et H2 a même son propre nom - « gaz de synthèse », puisque, selon les conditions, on peut en obtenir des produits industriels aussi appréciés que le méthanol, le formaldéhyde et même des hydrocarbures synthétiques :
avec des acides
L'hydrogène ne réagit pas avec les acides inorganiques !
Parmi les acides organiques, l'hydrogène ne réagit qu'avec les acides insaturés, ainsi qu'avec les acides contenant groupes fonctionnels capables de réduction avec l'hydrogène, notamment les groupements aldéhyde, céto ou nitro.
avec des sels
Dans le cas de solutions aqueuses de sels, leur interaction avec l'hydrogène ne se produit pas. Cependant, lorsque l'hydrogène passe sur des sels solides de certains métaux d'activité moyenne et faible, leur réduction partielle ou totale est possible, par exemple :
Propriétés chimiques des halogènes
Les halogènes sont les éléments chimiques du groupe VIIA (F, Cl, Br, I, At), ainsi que les substances simples qu'ils forment. Ici et plus loin dans le texte, sauf indication contraire, les halogènes seront compris comme des substances simples.
Tous les halogènes ont une structure moléculaire qui détermine les bas points de fusion et d'ébullition de ces substances. Les molécules halogènes sont diatomiques, c'est-à-dire leur formule peut s'écrire vue générale comme Hal 2.
Il convient de noter une propriété physique aussi spécifique de l'iode que sa capacité à sublimation ou, en d'autres termes, sublimation. Sublimation, est un phénomène dans lequel une substance à l'état solide ne fond pas lorsqu'elle est chauffée, mais, en contournant la phase liquide, passe immédiatement à l'état gazeux.
Structure électronique externe niveau d'énergie d'un atome de n'importe quel halogène a la forme ns 2 np 5, où n est le numéro de la période du tableau périodique dans laquelle se trouve l'halogène. Comme vous pouvez le constater, les atomes d’halogène n’ont besoin que d’un seul électron pour atteindre la coque externe composée de huit électrons. Il est logique d'en déduire les propriétés majoritairement oxydantes des halogènes libres, ce qui est confirmé dans la pratique. Comme on le sait, l'électronégativité des non-métaux diminue en descendant d'un sous-groupe, et donc l'activité des halogènes diminue dans la série :
F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2
Interaction des halogènes avec des substances simples
Tous les halogènes sont hautement substances actives et réagissent avec la plupart des substances simples. Il convient toutefois de noter que le fluor, en raison de sa teneur extrêmement élevée réactivité peut réagir même avec des substances simples avec lesquelles d'autres halogènes ne peuvent pas réagir. Ces substances simples comprennent l'oxygène, le carbone (diamant), l'azote, le platine, l'or et certains gaz rares (xénon et krypton). Ceux. en fait, le fluor ne réagit pas uniquement avec certains gaz rares.
Les halogènes restants, c'est-à-dire le chlore, le brome et l'iode sont également des substances actives, mais moins actives que le fluor. Ils réagissent avec presque toutes les substances simples à l'exception de l'oxygène, de l'azote, du carbone sous forme de diamant, du platine, de l'or et des gaz rares.
Interaction des halogènes avec les non-métaux
hydrogène
Lorsque tous les halogènes interagissent avec l'hydrogène, ils forment halogénures d'hydrogène Avec formule générale HHal. Dans ce cas, la réaction du fluor avec l'hydrogène commence spontanément même dans l'obscurité et se déroule par une explosion selon l'équation :
La réaction du chlore avec l’hydrogène peut être initiée par une irradiation ultraviolette intense ou par la chaleur. Procède également à l'explosion :
Le brome et l'iode ne réagissent avec l'hydrogène que lorsqu'ils sont chauffés, et en même temps, la réaction avec l'iode est réversible :
phosphore
L'interaction du fluor avec le phosphore conduit à l'oxydation du phosphore jusqu'au degré d'oxydation le plus élevé (+5). Dans ce cas, du pentafluorure de phosphore se forme :
Lorsque le chlore et le brome interagissent avec le phosphore, il est possible d'obtenir des halogénures de phosphore aussi bien à l'état d'oxydation + 3 qu'à l'état d'oxydation +5, qui dépend des proportions des substances en réaction :
De plus, dans le cas du phosphore blanc dans une atmosphère de fluor, de chlore ou de brome liquide, la réaction démarre spontanément.
L'interaction du phosphore avec l'iode peut conduire à la formation uniquement de triodure de phosphore en raison de sa capacité oxydante nettement inférieure à celle des autres halogènes :
gris
Le fluor oxyde le soufre jusqu'au degré d'oxydation le plus élevé +6, formant de l'hexafluorure de soufre :
Le chlore et le brome réagissent avec le soufre, formant des composés contenant du soufre dans les états d'oxydation +1 et +2, qui lui sont extrêmement inhabituels. Ces interactions sont très spécifiques, et pour réussir l'examen d'État unifié en chimie, la capacité d’écrire des équations pour ces interactions n’est pas nécessaire. Par conséquent, les trois équations suivantes sont plutôt données à titre de référence :
Interaction des halogènes avec les métaux
Comme mentionné ci-dessus, le fluor est capable de réagir avec tous les métaux, même les métaux inactifs comme le platine et l'or :
Les halogènes restants réagissent avec tous les métaux sauf le platine et l'or :
Réactions des halogènes avec des substances complexes
Réactions de substitution avec des halogènes
Des halogènes plus actifs, c'est-à-dire dont les éléments chimiques sont situés plus haut dans le tableau périodique sont capables de déplacer les halogènes moins actifs des acides halohydriques et des halogénures métalliques qu'ils forment :
De même, le brome et l'iode déplacent le soufre des solutions de sulfures et/ou de sulfure d'hydrogène :
Le chlore est un agent oxydant plus puissant et oxyde le sulfure d'hydrogène dans sa solution aqueuse non pas en soufre, mais en acide sulfurique :
Réaction des halogènes avec l'eau
L'eau brûle dans le fluor avec une flamme bleue conformément à l'équation de réaction :
Le brome et le chlore réagissent différemment avec l’eau qu’avec le fluor. Si le fluor agit comme agent oxydant, alors le chlore et le brome sont disproportionnés dans l'eau, formant un mélange d'acides. Dans ce cas, les réactions sont réversibles :
L'interaction de l'iode avec l'eau se produit à un degré si insignifiant qu'elle peut être négligée et on peut supposer que la réaction ne se produit pas du tout.
Interaction des halogènes avec des solutions alcalines
Le fluor, lorsqu'il interagit avec une solution aqueuse alcaline, agit à nouveau comme un agent oxydant :
La capacité d'écrire cette équation n'est pas requise pour réussir l'examen d'État unifié. Il suffit de connaître la possibilité d'une telle interaction et le rôle oxydant du fluor dans cette réaction.
Contrairement au fluor, les autres halogènes présents dans les solutions alcalines sont disproportionnés, c'est-à-dire qu'ils augmentent et diminuent simultanément leur état d'oxydation. De plus, dans le cas du chlore et du brome, en fonction de la température, un écoulement dans deux directions différentes est possible. En particulier, à froid les réactions se déroulent comme suit :
et une fois chauffé :
L'iode réagit avec les alcalis exclusivement selon la deuxième option, c'est-à-dire avec formation d'iodate, car l'hypoiodite n'est pas stable non seulement lorsqu'elle est chauffée, mais aussi à des températures ordinaires et même au froid.
L'hydrogène H est l'élément le plus répandu dans l'Univers (environ 75 % en masse) et sur Terre, il est le neuvième le plus abondant. Le plus important composé naturel l'hydrogène est de l'eau.
L'hydrogène occupe la première place dans le tableau périodique (Z = 1). Il possède la structure atomique la plus simple : le noyau de l'atome est constitué de 1 proton, entouré d'un nuage électronique constitué de 1 électron.
Dans certaines conditions, l’hydrogène présente des propriétés métalliques (donne un électron), tandis que dans d’autres, il présente des propriétés non métalliques (accepte un électron).
Les isotopes de l'hydrogène trouvés dans la nature sont : 1H - protium (le noyau est constitué d'un proton), 2H - deutérium (D - le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron), 3H - tritium (T - le noyau est constitué d'un proton et de deux neutrons).
Hydrogène, substance simple
Une molécule d'hydrogène est constituée de deux atomes reliés par une liaison covalente non polaire.
Propriétés physiques.
L'hydrogène est un gaz incolore, inodore, insipide et non toxique. La molécule d'hydrogène n'est pas polaire. Par conséquent, les forces d’interaction intermoléculaire dans l’hydrogène gazeux sont faibles. Cela se manifeste dans basses températuresébullition (-252,6 0С) et fusion (-259,2 0С).
L'hydrogène est plus léger que l'air, D (par l'air) = 0,069 ; légèrement soluble dans l'eau (2 volumes de H2 se dissolvent dans 100 volumes de H2O). Par conséquent, l’hydrogène, lorsqu’il est produit en laboratoire, peut être collecté par des méthodes de déplacement d’air ou d’eau.
Production d'hydrogène
Dans le laboratoire:
1. Effet des acides dilués sur les métaux :
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2
2. Interaction entre alcalin et les métaux avec de l'eau:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2
3. Hydrolyse des hydrures : les hydrures métalliques sont facilement décomposés par l'eau pour former l'alcali et l'hydrogène correspondants :
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2
4. L'effet des alcalis sur le zinc, l'aluminium ou le silicium :
2Al +2NaOH +6H 2 O → 2Na +3H 2
Zn +2KOH +2H 2 O → K 2 +H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Électrolyse de l'eau. Pour augmenter la conductivité électrique de l'eau, un électrolyte y est ajouté, par exemple NaOH, H 2 SO 4 ou Na 2 SO 4. 2 volumes d'hydrogène se forment à la cathode et 1 volume d'oxygène à l'anode.
2H 2 O → 2H 2 +O 2
Production industrielle d'hydrogène
1. Conversion du méthane avec de la vapeur, Ni 800 °C (le moins cher) :
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Au total:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. Vapeur d'eau à travers du coke chaud à 1000°C :
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Le monoxyde de carbone (IV) qui en résulte est absorbé par l'eau et 50 % de l'hydrogène industriel est ainsi produit.
3. En chauffant le méthane à 350°C en présence d'un catalyseur au fer ou au nickel :
CH4 → C + 2H2
4. Électrolyse de solutions aqueuses de KCl ou NaCl comme sous-produit :
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Propriétés chimiques de l'hydrogène
- Dans les composés, l'hydrogène est toujours monovalent. Il se caractérise par un état d'oxydation de +1, mais dans les hydrures métalliques, il est égal à -1.
- La molécule d'hydrogène est constituée de deux atomes. L'émergence d'une connexion entre eux s'explique par la formation d'une paire généralisée d'électrons H:H ou H 2
- Grâce à cette généralisation des électrons, la molécule H 2 est énergétiquement plus stable que ses atomes individuels. Pour briser 1 mole de molécules d'hydrogène en atomes, il faut dépenser 436 kJ d'énergie : H 2 = 2H, ∆H° = 436 kJ/mol
- Ceci explique l'activité relativement faible de l'hydrogène moléculaire aux températures ordinaires.
- Avec de nombreux non-métaux, l'hydrogène forme des composés gazeux tels que RH 4, RH 3, RH 2, RH.
1) Forme des halogénures d'hydrogène avec des halogènes :
H2 + Cl2 → 2HCl.
En même temps, il explose avec le fluor, réagit avec le chlore et le brome uniquement lorsqu'il est éclairé ou chauffé, et avec l'iode uniquement lorsqu'il est chauffé.
2) Avec de l'oxygène :
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
avec dégagement de chaleur. À température normale, la réaction se déroule lentement, au-dessus de 550°C elle explose. Un mélange de 2 volumes de H 2 et 1 volume d'O 2 est appelé gaz détonant.
3) Lorsqu'il est chauffé, il réagit vigoureusement avec le soufre (beaucoup plus difficile avec le sélénium et le tellure) :
H 2 + S → H 2 S (sulfure d'hydrogène),
4) Avec de l'azote avec formation d'ammoniac uniquement sur un catalyseur et à des températures et pressions élevées :
ZN2 + N2 → 2NH3
5) Avec du carbone à haute température :
2H 2 + C → CH 4 (méthane)
6) Forme des hydrures avec les métaux alcalins et alcalino-terreux (l'hydrogène est un agent oxydant) :
H 2 + 2Li → 2LiH
dans les hydrures métalliques, l'ion hydrogène est chargé négativement (état d'oxydation -1), c'est-à-dire l'hydrure Na + H - construit de manière similaire au chlorure de Na + Cl -
Avec des substances complexes :
7) Avec des oxydes métalliques (utilisés pour réduire les métaux) :
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) avec du monoxyde de carbone (II) :
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Le gaz de synthèse (un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone) a un rôle important importance pratique, car en fonction de la température, de la pression et du catalyseur, différents composés organiques, par exemple HCHO, CH 3 OH et autres.
9) Les hydrocarbures insaturés réagissent avec l'hydrogène et deviennent saturés :
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
L'hydrogène est un gaz ; il occupe la première place dans le tableau périodique. Le nom de cet élément, répandu dans la nature, est traduit du latin par « générer de l'eau ». Alors, quelles propriétés physiques et chimiques de l’hydrogène connaissons-nous ?
Hydrogène : informations générales
Dans des conditions normales, l’hydrogène n’a ni goût, ni odeur, ni couleur.
Riz. 1. Formule de l'hydrogène.
Puisqu'un atome a un niveau d'énergie électronique, qui peut contenir un maximum de deux électrons, alors pour un état stable, l'atome peut soit accepter un électron (état d'oxydation -1), soit abandonner un électron (état d'oxydation +1), présentant un valence constante I C'est pourquoi le symbole de l'élément hydrogène est placé non seulement dans le groupe IA (le sous-groupe principal du groupe I) avec les métaux alcalins, mais aussi dans le groupe VIIA (le sous-groupe principal du groupe VII) avec les halogènes. . Il manque également aux atomes d’halogène un électron pour remplir le niveau externe et, comme l’hydrogène, ce sont des non-métaux. L'hydrogène présente un état d'oxydation positif dans les composés où il est associé à des éléments non métalliques plus électronégatifs, et un état d'oxydation négatif dans les composés contenant des métaux.
Riz. 2. L'emplacement de l'hydrogène dans le tableau périodique.
L'hydrogène possède trois isotopes, chacun ayant son propre nom : protium, deutérium, tritium. La quantité de ces derniers sur Terre est négligeable.
Propriétés chimiques de l'hydrogène
Dans la substance simple H2, la liaison entre les atomes est forte (énergie de liaison 436 kJ/mol), donc l'activité de l'hydrogène moléculaire est faible. Dans des conditions normales, il ne réagit qu'avec des métaux très réactifs, et le seul non-métal avec lequel l'hydrogène réagit est le fluor :
F 2 +H 2 =2HF (fluorure d'hydrogène)
L'hydrogène réagit avec d'autres substances simples (métaux et non-métaux) et complexes (oxydes, composés organiques non spécifiés) soit par irradiation et augmentation de la température, soit en présence d'un catalyseur.
L'hydrogène brûle dans l'oxygène, libérant un montant significatif chaleur:
2H 2 +O 2 =2H 2 O
Un mélange d'hydrogène et d'oxygène (2 volumes d'hydrogène et 1 volume d'oxygène) explose violemment lorsqu'il est enflammé et est donc appelé gaz détonant. Lorsque vous travaillez avec de l'hydrogène, les règles de sécurité doivent être respectées.
Riz. 3. Gaz explosif.
En présence de catalyseurs, le gaz peut réagir avec l'azote :
3H 2 +N 2 =2NH 3
– cette réaction à des températures et des pressions élevées produit de l'ammoniac dans l'industrie.
À haute température, l'hydrogène est capable de réagir avec le soufre, le sélénium et le tellure. et lors de l'interaction avec les métaux alcalins et alcalino-terreux, la formation d'hydrures se produit : 4.3. Total des notes reçues : 152.
Lorsqu’on commence à considérer les propriétés chimiques et physiques de l’hydrogène, il convient de noter que dans son état habituel, cet élément chimique est sous forme gazeuse. L'hydrogène gazeux incolore est inodore et insipide. Pour la première fois, cet élément chimique a été nommé hydrogène en l'honneur du scientifique A. Lavoisier qui a mené des expériences avec l'eau, à la suite desquelles la science mondiale a appris que l'eau est un liquide à plusieurs composants contenant de l'hydrogène. Cet événement s’est produit en 1787, mais bien avant cette date, l’hydrogène était connu des scientifiques sous le nom de « gaz inflammable ».
L'hydrogène dans la nature
Selon les scientifiques, l'hydrogène est contenu dans la croûte terrestre et dans l'eau (environ 11,2 % du volume total de l'eau). Ce gaz fait partie de nombreux minéraux que l’humanité extrait des entrailles de la terre depuis des siècles. Certaines propriétés de l'hydrogène sont caractéristiques du pétrole, gaz naturels et de l'argile, pour les organismes animaux et végétaux. Mais sous sa forme pure, c'est-à-dire non combiné avec d'autres éléments chimiques du tableau périodique, ce gaz est extrêmement rare dans la nature. Ce gaz peut remonter à la surface de la terre lors des éruptions volcaniques. L'hydrogène libre est présent dans l'atmosphère en quantités négligeables.
Propriétés chimiques de l'hydrogène
Les propriétés chimiques de l'hydrogène étant hétérogènes, cet élément chimique appartient à la fois au groupe I du système Mendeleïev et au groupe VII du système. En tant que membre du premier groupe, l’hydrogène est essentiellement un métal alcalin qui possède un état d’oxydation de +1 dans la plupart des composés dans lesquels il se trouve. La même valence est caractéristique du sodium et d'autres métaux alcalins. En raison de ces propriétés chimiques, l’hydrogène est considéré comme un élément similaire à ces métaux.
Si nous parlons d'hydrures métalliques, alors l'ion hydrogène a une valence négative - son état d'oxydation est -1. Na+H- est construit selon le même schéma que le chlorure Na+Cl-. Ce fait est la raison pour laquelle l’hydrogène est classé dans le groupe VII du système périodique. L'hydrogène, étant à l'état de molécule, à condition qu'il se trouve dans un environnement ordinaire, est inactif et ne peut se combiner qu'avec des non-métaux qui sont plus actifs pour lui. Ces métaux comprennent le fluor ; en présence de lumière, l’hydrogène se combine au chlore. Si l'hydrogène est chauffé, il devient plus actif et réagit avec de nombreux éléments du tableau périodique de Mendeleïev.
L'hydrogène atomique présente des propriétés chimiques plus actives que l'hydrogène moléculaire. Les molécules d'oxygène forment de l'eau - H2 + 1/2O2 = H2O. Lorsque l'hydrogène interagit avec les halogènes, des halogénures d'hydrogène H2 + Cl2 = 2HCl se forment, et l'hydrogène entre dans cette réaction en l'absence de lumière et à des températures négatives assez élevées - jusqu'à - 252°C. Les propriétés chimiques de l'hydrogène permettent de l'utiliser pour la réduction de nombreux métaux, puisque lorsqu'il réagit, l'hydrogène absorbe l'oxygène des oxydes métalliques, par exemple CuO + H2 = Cu + H2O. L'hydrogène participe à la formation d'ammoniac en interagissant avec l'azote dans la réaction ZH2 + N2 = 2NH3, mais à condition d'utiliser un catalyseur et d'augmenter la température et la pression.
Une réaction vigoureuse se produit lorsque l’hydrogène réagit avec le soufre dans la réaction H2 + S = H2S, ce qui donne du sulfure d’hydrogène. L'interaction de l'hydrogène avec le tellure et le sélénium est légèrement moins active. S'il n'y a pas de catalyseur, il réagit avec le carbone pur, l'hydrogène seulement s'il est créé hautes températures. 2H2 + C (amorphe) = CH4 (méthane). Lors de l'activité de l'hydrogène avec certains métaux alcalins et autres, des hydrures sont obtenus, par exemple H2 + 2Li = 2LiH.
Propriétés physiques de l'hydrogène
L'hydrogène est un produit chimique très léger. Au moins, les scientifiques affirment qu’à l’heure actuelle, il n’existe pas de substance plus légère que l’hydrogène. Sa masse est 14,4 fois plus légère que l'air, sa densité est de 0,0899 g/l à 0°C. À des températures de -259,1°C, l'hydrogène est capable de fondre - il s'agit d'une température très critique, qui n'est pas typique pour la transformation de la plupart des composés chimiques d'un état à un autre. Seul un élément tel que l’hélium dépasse à cet égard les propriétés physiques de l’hydrogène. La liquéfaction de l'hydrogène est difficile, puisque sa température critique est de (-240°C). L'hydrogène est le gaz le plus conducteur de chaleur connu de l'humanité. Toutes les propriétés décrites ci-dessus sont les propriétés physiques les plus importantes de l'hydrogène utilisées par l'homme à des fins spécifiques. De plus, ces propriétés sont les plus pertinentes pour la science moderne.
