L'interazione di quali sostanze produce idrogeno? Idrogeno - caratteristiche, proprietà fisiche e chimiche

Designazione - H (Idrogeno);
Nome latino: Hydrogenium;
Periodo - I;
Gruppo - 1 (Ia);
Massa atomica - 1.00794;
Numero atomico - 1;
Raggio atomico = 53 pm;
Raggio covalente = 32 pm;
Distribuzione degli elettroni - 1s 1;
temperatura di fusione = -259,14°C;
punto di ebollizione = -252,87°C;
Elettronegatività (secondo Pauling/secondo Alpred e Rochow) = 2,02/-;
Stato di ossidazione: +1; 0; -1;
Densità (n.) = 0,0000899 g/cm 3 ;
Volume molare = 14,1 cm 3 /mol.

Composti binari dell'idrogeno con l'ossigeno:

L'idrogeno (“dare vita all'acqua”) fu scoperto dallo scienziato inglese G. Cavendish nel 1766. È l'elemento più semplice in natura: un atomo di idrogeno ha un nucleo e un elettrone, motivo per cui l'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'Universo (costituisce più della metà della massa della maggior parte delle stelle).

Dell’idrogeno possiamo dire che “la bobina è piccola, ma costosa”. Nonostante la sua “semplicità”, l’idrogeno fornisce energia a tutti gli esseri viventi sulla Terra: sul Sole avviene una reazione termonucleare continua durante la quale da quattro atomi di idrogeno si forma un atomo di elio, questo processoè accompagnato dal rilascio di una quantità colossale di energia (per maggiori dettagli vedere Fusione nucleare).

Nella crosta terrestre la frazione di massa dell'idrogeno è solo dello 0,15%. Nel frattempo, la stragrande maggioranza (95%) di tutte le sostanze chimiche conosciute sulla Terra contengono uno o più atomi di idrogeno.

Nei composti con non metalli (HCl, H 2 O, CH 4 ...), l'idrogeno cede il suo unico elettrone a elementi più elettronegativi, mostrando uno stato di ossidazione +1 (più spesso), formando solo legami covalenti (vedi Covalente legame).

Nei composti con metalli (NaH, CaH 2 ...), l'idrogeno, al contrario, accetta un altro elettrone nel suo unico orbitale s, cercando così di completare il suo strato elettronico, esibendo uno stato di ossidazione pari a -1 (meno spesso), spesso formando un legame ionico (vedi legame ionico), perché la differenza di elettronegatività dell'atomo di idrogeno e dell'atomo di metallo può essere piuttosto grande.

H2

Allo stato gassoso, l'idrogeno esiste sotto forma di molecole biatomiche, formando un legame covalente non polare.

Le molecole di idrogeno hanno:

grande mobilità;
grande forza;
bassa polarizzabilità;
dimensioni e peso ridotti.

Proprietà dell'idrogeno gassoso:

il gas più leggero in natura, incolore e inodore;
scarsamente solubile in acqua e solventi organici;
si dissolve in piccole quantità nei metalli liquidi e solidi (soprattutto platino e palladio);
difficile da liquefare (a causa della sua bassa polarizzabilità);
ha la più alta conduttività termica tra tutti i gas conosciuti;
quando riscaldato reagisce con molti non metalli, esibendo le proprietà di un agente riducente;
A temperatura ambiente reagisce con il fluoro (si verifica un'esplosione): H 2 + F 2 = 2HF;
reagisce con i metalli per formare idruri, esibendosi proprietà ossidanti: H2 + Ca = CaH2;

Nei composti, l'idrogeno mostra le sue proprietà riducenti molto più fortemente delle sue proprietà ossidanti. L’idrogeno è l’agente riducente più potente dopo carbone, alluminio e calcio. Le proprietà riducenti dell'idrogeno sono ampiamente utilizzate nell'industria per ottenere metalli e non metalli (sostanze semplici) da ossidi e galluri.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Reazioni dell'idrogeno con sostanze semplici

L'idrogeno accetta un elettrone, svolgendo un ruolo agente riducente, nelle reazioni:

Con ossigeno(quando acceso o in presenza di catalizzatore), in rapporto 2:1 (idrogeno:ossigeno) si forma un gas esplosivo detonante: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
Con grigio(se riscaldato a 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
Con cloro(quando acceso o irradiato con raggi UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
Con fluoro: H20+F2 = 2H+1F
Con azoto(quando riscaldato in presenza di catalizzatori o quando ipertensione): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

L'idrogeno dona un elettrone, svolgendo un ruolo agente ossidante, nelle reazioni con alcalino E terra alcalina metalli per formare idruri metallici - composti ionici simili al sale contenenti ioni idruro H - queste sono sostanze cristalline bianche instabili.

Ca+H2 = CaH2 -1 2Na+H2 0 = 2NaH -1

Non è tipico che l'idrogeno presenti uno stato di ossidazione pari a -1. Quando reagiscono con l'acqua, gli idruri si decompongono, riducendo l'acqua ad idrogeno. La reazione dell'idruro di calcio con l'acqua è la seguente:

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

Reazioni dell'idrogeno con sostanze complesse

A alta temperatura l'idrogeno riduce molti ossidi metallici: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
l'alcol metilico si ottiene dalla reazione dell'idrogeno con il monossido di carbonio (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
Nelle reazioni di idrogenazione, l'idrogeno reagisce con molte sostanze organiche.

Le equazioni delle reazioni chimiche dell'idrogeno e dei suoi composti sono discusse più dettagliatamente nella pagina "Idrogeno e suoi composti - equazioni delle reazioni chimiche che coinvolgono l'idrogeno".

Applicazioni dell'idrogeno

V energia nucleare vengono utilizzati isotopi di idrogeno: deuterio e trizio;
nell'industria chimica l'idrogeno viene utilizzato per la sintesi di molte sostanze organiche, ammoniaca, acido cloridrico;
nell'industria alimentare l'idrogeno viene utilizzato nella produzione di grassi solidi mediante idrogenazione oli vegetali;
per la saldatura e il taglio dei metalli si utilizza l'elevata temperatura di combustione dell'idrogeno nell'ossigeno (2600°C);
nella produzione di alcuni metalli l'idrogeno viene utilizzato come agente riducente (vedi sopra);
Poiché l'idrogeno è un gas leggero, viene utilizzato in aeronautica come riempitivo palloncini, palloncini, dirigibili;
L’idrogeno viene utilizzato come combustibile miscelato con CO.

Recentemente, gli scienziati hanno prestato molta attenzione alla ricerca di fonti alternative di energia rinnovabile. Uno dei settori promettenti è l'energia dell'“idrogeno”, in cui l'idrogeno viene utilizzato come combustibile, il cui prodotto di combustione è l'acqua normale.

Metodi per produrre idrogeno

Metodi industriali per la produzione di idrogeno:

conversione del metano (riduzione catalitica del vapore acqueo) con vapore acqueo ad alta temperatura (800°C) su catalizzatore al nichel: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
conversione del monossido di carbonio con vapore acqueo (t=500°C) su catalizzatore Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
decomposizione termica del metano: CH 4 = C + 2H 2;
gassificazione combustibili solidi(t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
elettrolisi dell'acqua (un metodo molto costoso che produce idrogeno molto puro): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Metodi di laboratorio per la produzione di idrogeno:

azione sui metalli (normalmente zinco) con acido cloridrico o solforico diluito: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2;
interazione del vapore acqueo con la limatura di ferro calda: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Liquido

Idrogeno(lat. Idrogenio; indicato dal simbolo H) è il primo elemento della tavola periodica degli elementi. Ampiamente distribuito in natura. Il catione (e nucleo) dell'isotopo più comune dell'idrogeno, 1 H, è il protone. Le proprietà del nucleo 1 H rendono possibile un ampio utilizzo della spettroscopia NMR nell'analisi di sostanze organiche.

Tre isotopi dell'idrogeno hanno i loro nomi: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D) e 3 H - trizio (radioattivo) (T).

La sostanza semplice idrogeno - H 2 - è un gas leggero e incolore. Se miscelato con aria o ossigeno, è infiammabile ed esplosivo. Non tossico. Solubile in etanolo e numerosi metalli: ferro, nichel, palladio, platino.

Storia

Il rilascio di gas infiammabile durante l'interazione di acidi e metalli fu osservato nei secoli XVI e XVII, all'alba della formazione della chimica come scienza. Anche Mikhail Vasilyevich Lomonosov ne ha sottolineato direttamente l'isolamento, ma era già sicuramente consapevole che non si trattava di flogisto. Il fisico e chimico inglese Henry Cavendish esaminò questo gas nel 1766 e lo chiamò “aria combustibile”. Quando bruciava, “l’aria combustibile” produceva acqua, ma l’adesione di Cavendish alla teoria del flogisto gli impedì di trarre le conclusioni corrette. Il chimico francese Antoine Lavoisier, insieme all'ingegnere J. Meunier, utilizzando speciali gasometri, nel 1783 effettuò la sintesi dell'acqua, e quindi la sua analisi, decomponendo il vapore acqueo con ferro caldo. Pertanto, ha stabilito che "l'aria combustibile" fa parte dell'acqua e può essere ottenuta da essa.

origine del nome

Lavoisier diede all’idrogeno il nome idrogène – “dare vita all’acqua”. Il nome russo "idrogeno" fu proposto dal chimico M. F. Solovyov nel 1824 - per analogia con "ossigeno" di Slomonosov.

Prevalenza

L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’Universo. Rappresenta circa il 92% di tutti gli atomi (l'8% sono atomi di elio, la quota di tutti gli altri elementi combinati è inferiore allo 0,1%). Pertanto, l'idrogeno è il principale costituente delle stelle e del gas interstellare. In condizioni di temperatura stellare (ad esempio, la temperatura superficiale del Sole è di ~ 6000 °C), l'idrogeno esiste sotto forma di plasma; nello spazio interstellare questo elemento esiste sotto forma di singole molecole, atomi e ioni e può formarsi nubi molecolari che variano significativamente in dimensioni, densità e temperatura.

La crosta terrestre e gli organismi viventi

La frazione di massa dell'idrogeno nella crosta terrestre è dell'1%: è il decimo elemento più abbondante. Tuttavia, il suo ruolo in natura non è determinato dalla massa, ma dal numero di atomi, la cui quota tra gli altri elementi è del 17% (il secondo posto dopo l'ossigeno, la cui quota di atomi è ~ 52%). Pertanto, l’importanza dell’idrogeno nei processi chimici che avvengono sulla Terra è quasi pari a quella dell’ossigeno. A differenza dell’ossigeno, che esiste sulla Terra sia nello stato legato che libero, quasi tutto l’idrogeno sulla Terra è sotto forma di composti; Nell'atmosfera è contenuta solo una piccolissima quantità di idrogeno sotto forma di sostanza semplice (0,00005% in volume).

L'idrogeno fa parte di quasi tutte le sostanze organiche ed è presente in tutte le cellule viventi. Nelle cellule viventi, l'idrogeno rappresenta quasi il 50% del numero di atomi.

Ricevuta

I metodi industriali per produrre sostanze semplici dipendono dalla forma in cui si trova in natura l'elemento corrispondente, cioè da quale può essere la materia prima per la sua produzione. Pertanto, l'ossigeno, disponibile allo stato libero, si ottiene fisicamente, mediante separazione dall'aria liquida. Quasi tutto l'idrogeno è sotto forma di composti, quindi per ottenerlo viene utilizzato metodi chimici. In particolare si possono utilizzare reazioni di decomposizione. Un modo per produrre idrogeno è attraverso la decomposizione dell’acqua mediante corrente elettrica.

Il principale metodo industriale per produrre idrogeno è la reazione del metano, che fa parte del gas naturale, con l'acqua. Si effettua ad alta temperatura (è facile verificare che passando il metano anche attraverso acqua bollente non avviene alcuna reazione):

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 −165 kJ

In laboratorio, per ottenere sostanze semplici, non si utilizzano necessariamente materie prime naturali, ma si scelgono quelle sostanze di partenza dalle quali è più facile isolare sostanza essenziale. Ad esempio, in laboratorio l'ossigeno non si ottiene dall'aria. Lo stesso vale per la produzione di idrogeno. Uno dei metodi di laboratorio per produrre idrogeno, talvolta utilizzato nell'industria, è la decomposizione dell'acqua mediante corrente elettrica.

Tipicamente, l'idrogeno viene prodotto in laboratorio facendo reagire lo zinco con acido cloridrico.

Nell'industria

1.Elettrolisi di soluzioni saline acquose:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Passaggio del vapore acqueo sul coke caldo ad una temperatura di circa 1000 °C:

H2O+C? H2+CO

3. Dal gas naturale.

Conversione del vapore:

CH4 + H2O? CO+3H2 (1000 °C)

Ossidazione catalitica con ossigeno:

2CH4 + O2 ? 2CO+4H2

4. Cracking e reforming degli idrocarburi durante la raffinazione del petrolio.

Nel laboratorio

1.L'effetto degli acidi diluiti sui metalli. Per effettuare questa reazione, zinco e diluito acido cloridrico:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Interazione del calcio con l'acqua:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Idrolisi degli idruri:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.L'effetto degli alcali su zinco o alluminio:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Utilizzando l'elettrolisi. Durante l'elettrolisi di soluzioni acquose di alcali o acidi, al catodo viene rilasciato idrogeno, ad esempio:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Proprietà fisiche

L'idrogeno può esistere in due forme (modifiche): sotto forma di orto e para-idrogeno. In una molecola di ortoidrogeno o-H 2 (mp −259,10 °C, bp −252,56 °C) gli spin nucleari sono diretti in modo identico (parallelo) e per il paraidrogeno P-H 2 (punto di fusione −259,32 °C, punto di ebollizione −252,89 °C) - opposti l'uno all'altro (antiparallelo). Miscela di equilibrio o-H2 e P-H 2 a una data temperatura viene chiamato idrogeno all’equilibrio e-H2.

Le modifiche dell'idrogeno possono essere separate mediante adsorbimento su carbone attivo a temperatura nitrogeno liquido. A molto basse temperature l'equilibrio tra ortoidrogeno e paraidrogeno è quasi completamente spostato verso quest'ultimo. A 80 K il rapporto tra le forme è di circa 1:1. Quando riscaldato, il paraidrogeno desorbito viene convertito in ortoidrogeno fino a formare una miscela che è in equilibrio a temperatura ambiente (orto-para: 75:25). Senza catalizzatore, la trasformazione avviene lentamente (in condizioni del mezzo interstellare - con tempi caratteristici fino a quelli cosmologici), il che rende possibile studiare le proprietà delle singole modifiche.

L’idrogeno è il gas più leggero, è 14,5 volte più leggero dell’aria. Ovviamente quanto più piccola è la massa delle molecole tanto maggiore sarà la loro velocità a parità di temperatura. Essendo le molecole più leggere, le molecole di idrogeno si muovono più velocemente delle molecole di qualsiasi altro gas e quindi possono trasferire il calore più velocemente da un corpo all'altro. Ne consegue che l'idrogeno ha la più alta conduttività termica tra le sostanze gassose. La sua conduttività termica è circa sette volte superiore alla conduttività termica dell'aria.

La molecola di idrogeno è biatomica - H2. In condizioni normali è un gas incolore, inodore e insapore. Densità 0,08987 g/l (n.s.), punto di ebollizione −252,76 °C, calore specifico di combustione 120,9×10 6 J/kg, poco solubile in acqua - 18,8 ml/l. L'idrogeno è altamente solubile in molti metalli (Ni, Pt, Pd, ecc.), specialmente nel palladio (850 volumi per 1 volume di Pd). La solubilità dell'idrogeno nei metalli è legata alla sua capacità di diffondersi attraverso di essi; La diffusione attraverso una lega di carbonio (ad esempio l'acciaio) è talvolta accompagnata dalla distruzione della lega dovuta all'interazione dell'idrogeno con il carbonio (la cosiddetta decarbonizzazione). Praticamente insolubile nell'argento.

Idrogeno liquido esiste in un intervallo di temperature molto ristretto compreso tra −252,76 e −259,2 ° C. È un liquido incolore, molto leggero (densità a −253 °C 0,0708 g/cm3) e fluido (viscosità a −253 °C 13,8 spuaz). I parametri critici dell'idrogeno sono molto bassi: temperatura −240,2 °C e pressione 12,8 atm. Questo spiega le difficoltà nella liquefazione dell’idrogeno. Allo stato liquido, l'idrogeno all'equilibrio è costituito per il 99,79% da para-H2 e per lo 0,21% da orto-H2.

Idrogeno solido, punto di fusione −259,2 °C, densità 0,0807 g/cm 3 (a −262 °C) - massa simile alla neve, cristalli esagonali, gruppo spaziale P6/mmc, parametri della cella UN=3,75 C=6.12. Ad alta pressione, l'idrogeno si trasforma in uno stato metallico.

Isotopi

L'idrogeno si trova in sotto forma di tre isotopi che hanno nomi individuali: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D), 3 H - trizio (radioattivo) (T).

Il protio e il deuterio sono isotopi stabili con numeri di massa 1 e 2. Il loro contenuto in natura è rispettivamente 99,9885 ± 0,0070% e 0,0115 ± 0,0070%. Questo rapporto può variare leggermente a seconda della fonte e del metodo di produzione dell'idrogeno.

L'isotopo dell'idrogeno 3H (trizio) è instabile. La sua emivita è di 12,32 anni. Il trizio si trova naturalmente in quantità molto piccole.

La letteratura fornisce anche dati su isotopi di idrogeno con numero di massa di 4 - 7 e emivita di 10 -22 - 10 -23 s.

L'idrogeno naturale è costituito da molecole di H 2 e HD (idrogeno di deuterio) in un rapporto di 3200:1. Il contenuto di idrogeno di deuterio puro D 2 è ancora inferiore. Il rapporto tra le concentrazioni di HD e D2 è di circa 6400:1.

Di tutti gli isotopi elementi chimici Le proprietà fisiche e chimiche degli isotopi dell'idrogeno differiscono notevolmente l'una dall'altra. Ciò è dovuto alla più grande variazione relativa delle masse atomiche.

Temperatura fusione, K	Temperatura bollente, K	Triplicare punto, K/kPa	Critico punto, K/kPa	Densità liquido/gas, kg/m³

Deuterio e trizio hanno anche modifiche orto e para: P-D2, o-D2, P-T2, o-T2. L'idrogeno eteroisotopico (HD, HT, DT) non presenta modifiche orto e para.

Proprietà chimiche

Frazione di molecole di idrogeno dissociate

Le molecole di idrogeno H2 sono piuttosto forti e affinché l'idrogeno reagisca è necessaria molta energia:

H2 = 2H − 432 kJ

Pertanto, a temperature ordinarie, l'idrogeno reagisce solo con metalli molto attivi, come il calcio, formando idruro di calcio:

Ca + H2 = CaH2

e con l'unico non metallico - fluoro, formando acido fluoridrico:

L'idrogeno reagisce con la maggior parte dei metalli e dei non metalli a temperature elevate o sotto altri influssi, ad esempio l'illuminazione:

O2 + 2H2 = 2H2O

Può “togliere” ossigeno ad alcuni ossidi, ad esempio:

CuO + H2 = Cu + H2O

L'equazione scritta riflette le proprietà riducenti dell'idrogeno.

N2 + 3H2 → 2NH3

Forma alogenuri di idrogeno con alogeni:

F 2 + H 2 → 2HF, la reazione avviene in modo esplosivo al buio e a qualsiasi temperatura,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, la reazione procede in modo esplosivo, solo alla luce.

Interagisce con la fuliggine a fuoco elevato:

C + 2H 2 → CH 4

Interazione con metalli alcalini e alcalino terrosi

Quando interagisce con i metalli attivi, l'idrogeno forma idruri:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H2 → CaH2

Mg+H2→MgH2

Idruri- simile al sale, solidi, idrolizzano facilmente:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Interazione con ossidi metallici (solitamente elementi D)

Gli ossidi sono ridotti a metalli:

CuO + H2 → Cu + H2O

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Idrogenazione dei composti organici

L'idrogeno molecolare è ampiamente utilizzato nella sintesi organica per la riduzione dei composti organici. Questi processi sono chiamati Reazioni di idrogenazione. Queste reazioni vengono effettuate in presenza di un catalizzatore a pressione e temperatura elevate. Il catalizzatore può essere omogeneo (ad esempio Wilkinson Catalyst) o eterogeneo (ad esempio nichel Raney, palladio su carbonio).

Pertanto, in particolare, durante l'idrogenazione catalitica di composti insaturi come alcheni e alchini, si formano composti saturi: gli alcani.

Geochimica dell'idrogeno

L'idrogeno libero H2 è relativamente raro nei gas terrestri, ma sotto forma di acqua svolge un ruolo estremamente importante nei processi geochimici.

L'idrogeno può essere presente nei minerali sotto forma di ione ammonio, ione idrossile e acqua cristallina.

Nell'atmosfera l'idrogeno viene continuamente prodotto a seguito della decomposizione dell'acqua ad opera della radiazione solare. Avendo una massa ridotta, le molecole di idrogeno hanno un'elevata velocità di movimento di diffusione (vicina alla seconda velocità cosmica) e, quando entrano negli strati superiori dell'atmosfera, possono volare nello spazio.

Caratteristiche del trattamento

L'idrogeno, quando miscelato con l'aria, forma una miscela esplosiva, il cosiddetto gas detonante. Questo gas è più esplosivo quando il rapporto volumetrico tra idrogeno e ossigeno è 2:1, o idrogeno e aria è circa 2:5, poiché l'aria contiene circa il 21% di ossigeno. Anche l’idrogeno rappresenta un pericolo di incendio. L'idrogeno liquido può causare gravi congelamenti se entra in contatto con la pelle.

Concentrazioni esplosive di idrogeno e ossigeno si verificano dal 4% al 96% in volume. In miscela con aria dal 4% al 75(74)% in volume.

Economia

Il costo dell’idrogeno per le grandi forniture all’ingrosso varia da 2 a 5 dollari al kg.

Applicazione

L'idrogeno atomico viene utilizzato per la saldatura con idrogeno atomico.

Industria chimica

Nella produzione di ammoniaca, metanolo, sapone e plastica
Nella produzione di margarina da oli vegetali liquidi
Registrato come integratore alimentare E949(gas di imballaggio)

Industria alimentare

Industria aeronautica

L'idrogeno è molto leggero e sale sempre nell'aria. C'erano una volta dirigibili e Palloncini pieno di idrogeno. Ma negli anni '30. XX secolo Ci furono diversi disastri durante i quali i dirigibili esplosero e bruciarono. Al giorno d'oggi, i dirigibili sono pieni di elio, nonostante il suo costo notevolmente più elevato.

Carburante

L'idrogeno viene utilizzato come combustibile per missili.

Sono in corso ricerche sull’uso dell’idrogeno come carburante per automobili e camion. Motori a idrogeno non inquinare ambiente e rilasciare solo vapore acqueo.

Le celle a combustibile idrogeno-ossigeno utilizzano l'idrogeno per convertire direttamente l'energia di una reazione chimica in energia elettrica.

"Idrogeno liquido"(“LH”) è lo stato liquido dell'idrogeno, con una bassa densità specifica di 0,07 g/cm³ e proprietà criogeniche con un punto di congelamento di 14,01 K (−259,14 °C) e un punto di ebollizione di 20,28 K (−252,87 °C ). È un liquido incolore e inodore che se miscelato con l'aria viene classificato come sostanze esplosive con un coefficiente di infiammabilità compreso tra 4 e 75%. Il rapporto di rotazione degli isomeri nell'idrogeno liquido è: 99,79% - paraidrogeno; 0,21% - ortoidrogeno. Il coefficiente di espansione dell'idrogeno quando cambia il suo stato di aggregazione in gassoso è 848:1 a 20°C.

Come qualsiasi altro gas, la liquefazione dell'idrogeno porta ad una diminuzione del suo volume. Dopo la liquefazione, il liquido liquido viene immagazzinato in contenitori termicamente isolati sotto pressione. Idrogeno liquido Idrogeno liquido, LH2, LH 2) è utilizzato attivamente nell'industria, come forma di stoccaggio del gas, e nell'industria spaziale, come carburante per missili.

Storia

Il primo utilizzo documentato della refrigerazione artificiale fu effettuato dallo scienziato inglese William Cullen nel 1756, Gaspard Monge fu il primo ad ottenere lo stato liquido dell'ossido di zolfo nel 1784, Michael Faraday fu il primo ad ottenere l'ammoniaca liquefatta, l'inventore americano Oliver Evans è stato il primo a svilupparsi compressore di refrigerazione nel 1805, Jacob Perkins fu il primo a brevettare una macchina per la refrigerazione, nel 1834, e John Gorey fu il primo a brevettare un condizionatore d'aria negli Stati Uniti nel 1851. Werner Siemens propose il concetto di raffreddamento rigenerativo nel 1857, Karl Linde brevettò un'apparecchiatura per la produzione di aria liquida utilizzando un "effetto di espansione Joule-Thomson" a cascata e un raffreddamento rigenerativo nel 1876. Nel 1885, il fisico e chimico polacco Zygmunt Wroblewski pubblicò la temperatura critica dell'idrogeno 33 K, la pressione critica 13,3 atm. e punto di ebollizione a 23 K. L'idrogeno fu liquefatto per la prima volta da James Dewar nel 1898 utilizzando il raffreddamento rigenerativo e la sua invenzione, il pallone Dewar. La prima sintesi di un isomero stabile dell'idrogeno liquido, il paraidrogeno, fu effettuata da Paul Harteck e Carl Bonhoeffer nel 1929.

Isomeri di spin dell'idrogeno

L'idrogeno a temperatura ambiente è costituito principalmente da un isomero di spin, l'ortoidrogeno. Dopo la produzione, l'idrogeno liquido è in uno stato metastabile e deve essere convertito nella forma paraidrogeno per evitare la reazione esotermica esplosiva che si verifica quando cambia a basse temperature. La conversione alla fase paraidrogeno viene solitamente effettuata utilizzando catalizzatori come ossido di ferro, ossido di cromo, Carbone attivo amianto rivestito di platino, metalli delle terre rare o attraverso l'uso di additivi all'uranio o al nichel.

Utilizzo

L'idrogeno liquido può essere utilizzato come forma di stoccaggio del carburante per motori a combustione interna e celle a combustibile. Utilizzando questa forma aggregata di idrogeno sono stati creati diversi sottomarini (progetti "212A" e "214", Germania) e concetti di trasporto dell'idrogeno (vedi ad esempio "DeepC" o "BMW H2R"). A causa della vicinanza dei progetti, i creatori di apparecchiature LHV possono utilizzare o modificare solo sistemi che utilizzano gas naturale liquefatto (GNL). Tuttavia, a causa della minore densità energetica volumetrica, la combustione richiede un volume maggiore di idrogeno rispetto al gas naturale. Se si utilizza idrogeno liquido al posto del "GNC" nei motori a pistoni, il valore sarà maggiore sistema di alimentazione carburante. Con l'iniezione diretta, le maggiori perdite nel tratto di aspirazione riducono il riempimento del cilindro.

L'idrogeno liquido viene utilizzato anche per raffreddare i neutroni negli esperimenti di diffusione dei neutroni. Le masse del neutrone e del nucleo di idrogeno sono quasi uguali, quindi lo scambio di energia durante una collisione elastica è più efficace.

Vantaggi

Il vantaggio dell’utilizzo dell’idrogeno sono le “zero emissioni” del suo utilizzo. Il prodotto della sua interazione con l'aria è l'acqua.

Ostacoli

Un litro di "ZhV" pesa solo 0,07 kg. Cioè, il suo peso specifico è di 70,99 g/l a 20 K. L'idrogeno liquido richiede una tecnologia di stoccaggio criogenico, come speciali contenitori termicamente isolati e richiede una manipolazione speciale, tipica di tutti i materiali criogenici. In questo senso è simile all'ossigeno liquido, ma richiede maggiore cautela a causa del pericolo di incendio. Anche con contenitori isolati, è difficile mantenerlo alle basse temperature necessarie per mantenerlo liquido (in genere evapora a una velocità dell'1% al giorno). Quando lo maneggi, devi anche seguire le consuete precauzioni di sicurezza quando lavori con l'idrogeno: fa abbastanza freddo da liquefare l'aria, che è esplosiva.

Carburante per missili

L’idrogeno liquido è un componente comune dei carburanti per missili, utilizzato per la propulsione di veicoli di lancio e veicoli spaziali. Nella maggior parte dei motori a razzo a idrogeno liquido, viene prima utilizzato per raffreddare in modo rigenerativo l'ugello e altre parti del motore prima di essere miscelato con un ossidante e bruciato per produrre la spinta. I motori moderni che utilizzano componenti H 2 /O 2 consumano una miscela di carburante eccessivamente arricchita di idrogeno, che porta ad una certa quantità di idrogeno incombusto nei gas di scarico. Oltre ad aumentare l'impulso specifico del motore riducendo il peso molecolare, ciò riduce anche l'erosione dell'ugello e della camera di combustione.

Tali ostacoli all'uso di sostanze liquide in altri ambiti, come la natura criogenica e la bassa densità, rappresentano anche un fattore limitante per l'uso in in questo caso. Nel 2009 esiste un solo veicolo di lancio (veicolo di lancio Delta-4), che è interamente un razzo a idrogeno. Fondamentalmente, "ZHV" viene utilizzato sugli stadi superiori dei razzi o sui blocchi, che svolgono una parte significativa del lavoro di lancio del carico utile nello spazio nel vuoto. Come una delle misure per aumentare la densità di questo tipo di carburante, ci sono proposte per utilizzare l'idrogeno simile ai fanghi, cioè una forma semicongelata di "idrogeno liquido".

Ha una sua posizione specifica nella tavola periodica, che riflette le proprietà che mostra e parla della sua struttura elettronica. Tuttavia, tra tutti ce n'è uno speciale, che occupa due celle contemporaneamente. Si trova in due gruppi di elementi che sono completamente opposti nelle loro proprietà. Questo è idrogeno. Tali caratteristiche lo rendono unico.

L'idrogeno non è solo un elemento, ma anche una sostanza semplice, nonché parte integrante di molti composti complessi, un elemento biogenico e organogeno. Consideriamo quindi le sue caratteristiche e proprietà in modo più dettagliato.

Idrogeno come elemento chimico

L'idrogeno è un elemento del primo gruppo del sottogruppo principale, nonché del settimo gruppo del sottogruppo principale nel primo periodo minore. Questo periodoè costituito da soli due atomi: l'elio e l'elemento che stiamo considerando. Descriviamo le caratteristiche principali della posizione dell'idrogeno nella tavola periodica.

Il numero atomico dell'idrogeno è 1, il numero di elettroni è lo stesso e, di conseguenza, il numero di protoni è lo stesso. Massa atomica - 1.00795. Esistono tre isotopi di questo elemento con numeri di massa 1, 2, 3. Tuttavia, le proprietà di ciascuno di essi sono molto diverse, poiché un aumento di massa anche di uno per l'idrogeno è immediatamente doppio.
Il fatto che contenga un solo elettrone sulla sua superficie esterna gli consente di esibire con successo sia proprietà ossidanti che riducenti. Inoltre, dopo aver donato un elettrone, rimane in un orbitale libero, partecipando alla formazione legami chimici secondo il meccanismo donatore-accettore.
L’idrogeno è un forte agente riducente. Pertanto, il suo posto principale è considerato il primo gruppo del sottogruppo principale, dove sono diretti i metalli più attivi: gli alcali.
Tuttavia, quando interagisce con forti agenti riducenti, come i metalli, può anche essere un agente ossidante, accettando un elettrone. Questi composti sono chiamati idruri. Secondo questa caratteristica, è a capo del sottogruppo di alogeni con cui è simile.
A causa della sua massa atomica molto piccola, l'idrogeno è considerato l'elemento più leggero. Inoltre, anche la sua densità è molto bassa, quindi è anche un punto di riferimento per la leggerezza.

Pertanto, è ovvio che l'atomo di idrogeno è un elemento completamente unico, a differenza di tutti gli altri elementi. Di conseguenza anche le sue proprietà sono speciali e le sostanze semplici e complesse che si formano sono molto importanti. Consideriamoli ulteriormente.

Sostanza semplice

Se parliamo di questo elemento come di una molecola, allora dobbiamo dire che è biatomico. Cioè, l'idrogeno (una sostanza semplice) è un gas. La sua formula empirica sarà scritta come H2, e la sua formula grafica sarà scritta attraverso la relazione H-H a singolo sigma. Il meccanismo di formazione del legame tra gli atomi è covalente non polare.

Reforming del metano a vapore.
Gassificazione del carbone: il processo prevede il riscaldamento del carbone a 1000 0 C, con conseguente formazione di idrogeno e carbone ad alto contenuto di carbonio.
Elettrolisi. Questo metodo può essere utilizzato solo per soluzioni acquose di vari sali, poiché le fusioni non comportano uno scarico di acqua al catodo.

Metodi di laboratorio per la produzione di idrogeno:

Idrolisi degli idruri metallici.
L'effetto degli acidi diluiti sui metalli attivi e sull'attività media.
Interazione dei metalli alcalini e alcalino terrosi con l'acqua.

Per raccogliere l'idrogeno prodotto è necessario tenere la provetta capovolta. Dopotutto, questo gas non può essere raccolto allo stesso modo, ad esempio, dell'anidride carbonica. Questo è idrogeno, è molto più leggero dell'aria. Evapora rapidamente e grandi quantità Esplode se miscelato con l'aria. Pertanto, la provetta deve essere capovolta. Dopo averlo riempito è necessario chiuderlo con un tappo di gomma.

Per verificare la purezza dell'idrogeno raccolto, dovresti portare un fiammifero acceso al collo. Se l'applauso è sordo e silenzioso, significa che il gas è pulito, con minime impurità nell'aria. Se è rumoroso e fischia, è sporco, con una grande percentuale di componenti estranei.

Aree di utilizzo

Quando bruciato, l'idrogeno viene rilasciato così tanto un gran numero di energia (calore), che questo gas è considerato il combustibile più redditizio. Inoltre, è rispettoso dell'ambiente. Tuttavia, ad oggi, la sua applicazione in questo ambito è limitata. Ciò è dovuto ai problemi poco studiati e irrisolti legati alla sintesi dell'idrogeno puro, che sarebbe adatto per l'uso come combustibile in reattori, motori e dispositivi portatili, nonché caldaie per riscaldamento edifici residenziali.

Dopotutto, i metodi per produrre questo gas sono piuttosto costosi, quindi è necessario prima sviluppare un metodo di sintesi speciale. Uno che ti consentirà di ottenere il prodotto grande volume e ad un costo minimo.

Esistono diversi ambiti principali in cui viene utilizzato il gas che stiamo considerando.

Sintesi chimiche. L'idrogenazione viene utilizzata per produrre saponi, margarine e plastica. Con la partecipazione di idrogeno, vengono sintetizzati metanolo e ammoniaca, nonché altri composti.
Nell'industria alimentare - come additivo E949.
Industria aeronautica (scienza missilistica, produzione di aeromobili).
Industria dell'energia elettrica.
Meteorologia.
Carburante ecologico.

Ovviamente l’idrogeno è tanto importante quanto abbondante in natura. I vari composti che forma svolgono un ruolo ancora maggiore.

Composti dell'idrogeno

Queste sono sostanze complesse contenenti atomi di idrogeno. Esistono diversi tipi principali di tali sostanze.

Alogenuri di idrogeno. Formula generale- HHal. Di particolare importanza tra questi è l'acido cloridrico. È un gas che si dissolve in acqua per formare una soluzione di acido cloridrico. Questo acido è ampiamente utilizzato in quasi tutte le sintesi chimiche. Inoltre, sia organico che inorganico. Il cloruro di idrogeno è un composto con la formula empirica HCL ed è uno dei più grandi prodotti ogni anno nel nostro paese. Gli alogenuri di idrogeno includono anche idrogeno ioduro, acido fluoridrico e acido bromidrico. Tutti formano gli acidi corrispondenti.
Volatili Quasi tutti sono gas piuttosto velenosi. Ad esempio, idrogeno solforato, metano, silano, fosfina e altri. Allo stesso tempo, sono molto infiammabili.
Gli idruri sono composti con metalli. Appartengono alla classe dei sali.
Idrossidi: basi, acidi e composti anfoteri. Contengono necessariamente atomi di idrogeno, uno o più. Esempio: NaOH, K 2, H 2 SO 4 e altri.
Idrossido di idrogeno. Questo composto è meglio conosciuto come acqua. Un altro nome è ossido di idrogeno. La formula empirica è simile a questa: H 2 O.
Perossido di idrogeno. Questo è un forte agente ossidante, la cui formula è H 2 O 2.
Numerosi composti organici: idrocarburi, proteine, grassi, lipidi, vitamine, ormoni, oli essenziali e altri.

È ovvio che la varietà dei composti dell'elemento che stiamo considerando è molto ampia. Ciò conferma ancora una volta la sua grande importanza per la natura e l’uomo, nonché per tutti gli esseri viventi.

- questo è il miglior solvente

Come accennato in precedenza, il nome comune di questa sostanza è acqua. È costituito da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, collegati da legami polari covalenti. La molecola d'acqua è un dipolo, questo spiega molte delle proprietà che esibisce. In particolare, è un solvente universale.

È nell'ambiente acquatico che accade quasi tutto processi chimici. Anche le reazioni interne del metabolismo plastico ed energetico negli organismi viventi vengono effettuate utilizzando l'ossido di idrogeno.

L'acqua è giustamente considerata la sostanza più importante del pianeta. È noto che nessun organismo vivente può vivere senza di essa. Sulla Terra può esistere in tre stati di aggregazione:

liquido;
gas (vapore);
solido (ghiaccio).

A seconda dell'isotopo dell'idrogeno contenuto nella molecola si distinguono tre tipi di acqua.

Luce o protio. Un isotopo con numero di massa 1. Formula - H 2 O. Questa è la forma abituale utilizzata da tutti gli organismi.
Deuterio o pesante, la sua formula è D 2 O. Contiene l'isotopo 2 H.
Super pesante o trizio. La formula assomiglia a T 3 O, isotopo - 3 H.

Le riserve di acqua dolce protium del pianeta sono molto importanti. In molti paesi ne esiste già una carenza. Sono in fase di sviluppo metodi per trattare l'acqua salata per produrre acqua potabile.

Il perossido di idrogeno è un rimedio universale

Questo composto, come accennato in precedenza, è un ottimo agente ossidante. Ma con rappresentanti forti può anche comportarsi da restauratore. Inoltre, ha un pronunciato effetto battericida.

Un altro nome per questo composto è perossido. È in questa forma che viene utilizzato in medicina. Una soluzione al 3% di idrato cristallino del composto in questione è un medicinale che viene utilizzato per trattare piccole ferite allo scopo di disinfettarle. Tuttavia, è stato dimostrato che ciò aumenta il tempo di guarigione della ferita.

Il perossido di idrogeno viene utilizzato anche nel carburante per missili, nell'industria per la disinfezione e lo sbiancamento e come agente schiumogeno per la produzione di materiali appropriati (schiuma, ad esempio). Inoltre, il perossido aiuta a pulire gli acquari, a decolorare i capelli e a sbiancare i denti. Tuttavia, provoca danni ai tessuti, quindi non è raccomandato dagli specialisti per questi scopi.

DEFINIZIONE

Idrogeno– il primo elemento della tavola periodica degli elementi chimici D.I. Mendeleev. Simbolo - N.

Massa atomica – 1 amu. La molecola di idrogeno è biatomica – H2.

La configurazione elettronica dell'atomo di idrogeno è 1s 1. L'idrogeno appartiene alla famiglia degli elementi S. Nei suoi composti presenta stati di ossidazione -1, 0, +1. L'idrogeno naturale è costituito da due isotopi stabili - protio 1H (99,98%) e deuterio 2H (D) (0,015%) - e dall'isotopo radioattivo trizio 3H (T) (tracce, emivita - 12,5 anni).

Proprietà chimiche dell'idrogeno

In condizioni normali, l'idrogeno molecolare mostra una reattività relativamente bassa, il che si spiega con l'elevata forza dei legami nella molecola. Quando riscaldato interagisce con quasi tutte le sostanze semplici formate da elementi dei principali sottogruppi (ad eccezione dei gas nobili, B, Si, P, Al). IN reazioni chimiche può agire sia come agente riducente (più spesso) che come agente ossidante (meno spesso).

Mostre sull'idrogeno proprietà dell'agente riducente(H 2 0 -2e → 2H+) nelle seguenti reazioni:

1. Reazioni di interazione con sostanze semplici - non metalli. L'idrogeno reagisce con alogeni, inoltre, la reazione di interazione con il fluoro in condizioni normali, al buio, con un'esplosione, con il cloro - sotto illuminazione (o irradiazione UV) secondo un meccanismo a catena, con bromo e iodio solo quando riscaldati; ossigeno(una miscela di ossigeno e idrogeno in un rapporto volumetrico di 2:1 è chiamata “gas esplosivo”), grigio, azoto E carbonio:

H2 + Hal2 = 2HHal;

2H2 + O2 = 2H2O + Q(t);

H2 + S = H2S (t = 150 – 300°C);

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

2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Reazioni di interazione con sostanze complesse. L'idrogeno reagisce con ossidi di metalli a bassa attività, ed è in grado di ridurre solo i metalli che si trovano nella serie di attività a destra dello zinco:

CuO + H2 = Cu + H2O(t);

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O(t);

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

L'idrogeno reagisce con ossidi non metallici:

H2+CO2↔ CO+H2O(t);

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

L'idrogeno entra nelle reazioni di idrogenazione con composti organici classe di cicloalcani, alcheni, areni, aldeidi e chetoni, ecc. Tutte queste reazioni vengono effettuate mediante riscaldamento, sotto pressione, utilizzando platino o nichel come catalizzatori:

CH2 = CH2 + H2 ↔ CH3 -CH3 ;

C6H6 + 3H2 ↔ C6H12 ;

C3H6 + H2 ↔ C3H8;

CH3CHO + H2 ↔ CH3 -CH2 -OH;

CH3 -CO-CH3 + H2 ↔ CH3 -CH(OH)-CH3.

Idrogeno come agente ossidante(H 2 +2e → 2H -) appare nelle reazioni con metalli alcalini e alcalino terrosi. In questo caso si formano idruri: composti ionici cristallini in cui l'idrogeno presenta uno stato di ossidazione -1.

2Na +H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H2 ↔ CaH2 (t, p).

Proprietà fisiche dell'idrogeno

L'idrogeno è un gas leggero, incolore, inodore, con densità a condizioni ambientali. – 0,09 g/l, 14,5 volte più leggero dell’aria, t bollire = -252,8°C, t pl = - 259,2°C. L'idrogeno è scarsamente solubile in acqua e nei solventi organici; è altamente solubile in alcuni metalli: nichel, palladio, platino.

Secondo la cosmochimica moderna, l’idrogeno è l’elemento più comune nell’Universo. La principale forma di esistenza dell'idrogeno nello spazio sono i singoli atomi. In termini di abbondanza sulla Terra, l’idrogeno è al nono posto tra tutti gli elementi. La maggior parte dell'idrogeno sulla Terra si trova allo stato legato, ovvero nella composizione di acqua, petrolio, gas naturale, carbone, ecc. L'idrogeno si trova raramente sotto forma di sostanza semplice, nella composizione dei gas vulcanici.

Produzione di idrogeno

Esistono metodi di laboratorio e industriali per produrre idrogeno. I metodi di laboratorio comprendono l'interazione dei metalli con gli acidi (1), nonché l'interazione dell'alluminio con soluzioni acquose di alcali (2). Tra i metodi industriali per la produzione di idrogeno, un ruolo importante giocano l'elettrolisi di soluzioni acquose di alcali e sali (3) e la conversione del metano (4):

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

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na +3H2(2);

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

CH4 + H2O ↔ CO + H2 (4).

Esempi di risoluzione dei problemi

ESEMPIO 1

Esercizio

Quando 23,8 g di stagno metallico hanno reagito con un eccesso di acido cloridrico, è stato rilasciato idrogeno in una quantità sufficiente per ottenere 12,8 g di rame metallico. Determinare lo stato di ossidazione dello stagno nel composto risultante.

Soluzione

Basato struttura elettronica atomo di stagno (...5s 2 5p 2), possiamo concludere che lo stagno è caratterizzato da due stati di ossidazione: +2, +4. Sulla base di ciò, creiamo equazioni per possibili reazioni:

Sn + 2HCl = H2 + SnCl2 (1);

Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl4 (2);

CuO + H2 = Cu + H2O (3).

Troviamo la quantità di sostanza rame:

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

Secondo l'equazione 3, la quantità di sostanza idrogeno:

v(H2) = v(Cu) = 0,2 mol.

Conoscendo la massa dello stagno, troviamo la sua quantità di sostanza:

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

Confrontiamo le quantità di sostanze stagno e idrogeno secondo le equazioni 1 e 2 e secondo le condizioni del problema:

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

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

v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (condizione problematica).

Pertanto, lo stagno reagisce con l'acido cloridrico secondo l'equazione 1 e lo stato di ossidazione dello stagno è +2.

Risposta

Lo stato di ossidazione dello stagno è +2.

ESEMPIO 2

Esercizio

Il gas rilasciato dall'azione di 2,0 g di zinco per 18,7 ml di acido cloridrico al 14,6% (densità della soluzione 1,07 g/ml) è stato fatto passare quando riscaldato su 4,0 g di ossido di rame (II). Qual è la massa della miscela solida risultante?

Soluzione

Quando lo zinco reagisce con l'acido cloridrico, viene rilasciato idrogeno:

Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (1),

che, una volta riscaldato, riduce l'ossido di rame(II) a rame(2):

CuO + H2 = Cu + H2O.

Troviamo le quantità di sostanze nella prima reazione:

m(soluzione 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 mol;

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

Lo zinco scarseggia, quindi la quantità di idrogeno rilasciata è:

v(H2) = v(Zn) = 0,031 mol.

Nella seconda reazione, l’idrogeno scarseggia perché:

v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 mol.

Come risultato della reazione, 0,031 mol CuO si trasformeranno in 0,031 mol Cu e la perdita di massa sarà:

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

La massa della miscela solida di CuO e Cu dopo il passaggio dell'idrogeno sarà:

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

Risposta

La massa della miscela solida di CuO e Cu è 3,5 g.

I metodi industriali per produrre sostanze semplici dipendono dalla forma in cui si trova in natura l'elemento corrispondente, cioè da quale può essere la materia prima per la sua produzione. Pertanto, l'ossigeno, disponibile allo stato libero, si ottiene fisicamente, mediante separazione dall'aria liquida. Quasi tutto l'idrogeno è sotto forma di composti, quindi per ottenerlo vengono utilizzati metodi chimici. In particolare si possono utilizzare reazioni di decomposizione. Un modo per produrre idrogeno è attraverso la decomposizione dell’acqua mediante corrente elettrica.

CH4 + 2H2 0 = CO2 + 4H2 - 165 kJ

In laboratorio, per ottenere sostanze semplici, non si utilizzano necessariamente materie prime naturali, ma si scelgono quelle materie prime da cui è più facile isolare la sostanza richiesta. Ad esempio, in laboratorio l'ossigeno non si ottiene dall'aria. Lo stesso vale per la produzione di idrogeno. Uno dei metodi di laboratorio per produrre idrogeno, talvolta utilizzato nell'industria, è la decomposizione dell'acqua mediante corrente elettrica.

Tipicamente, l'idrogeno viene prodotto in laboratorio facendo reagire lo zinco con acido cloridrico.

Nell'industria

1.Elettrolisi di soluzioni saline acquose:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Passaggio del vapore acqueo sulla coca cola calda a temperature intorno ai 1000°C:

H2O+C⇄ H2+CO

3.Dal gas naturale.

Conversione di vapore: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) Ossidazione catalitica con ossigeno: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Cracking e reforming degli idrocarburi durante la raffinazione del petrolio.

Nel laboratorio

1.L'effetto degli acidi diluiti sui metalli. Per eseguire questa reazione, vengono spesso utilizzati zinco e acido cloridrico:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Interazione del calcio con l'acqua:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Idrolisi degli idruri:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.L'effetto degli alcali su zinco o alluminio:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.Utilizzando l'elettrolisi. Durante l'elettrolisi di soluzioni acquose di alcali o acidi, al catodo viene rilasciato idrogeno, ad esempio:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

Bioreattore per la produzione di idrogeno

Proprietà fisiche

Il gas idrogeno può esistere in due forme (modifiche) - sotto forma di orto - e para-idrogeno.

In una molecola di ortoidrogeno (mp. −259,10 °C, bp −252,56 °C) gli spin nucleari sono diretti in modo identico (parallelo), e nel paraidrogeno (mp. −259,32 °C, bp. . bollire. −252,89 °C) - opposti tra loro (antiparalleli).

Le forme allotropiche dell'idrogeno possono essere separate mediante adsorbimento su carbone attivo alla temperatura dell'azoto liquido. A temperature molto basse l’equilibrio tra ortoidrogeno e paraidrogeno è quasi completamente spostato verso quest’ultimo. A 80 K il rapporto tra le forme è di circa 1:1. Quando riscaldato, il paraidrogeno desorbito viene convertito in ortoidrogeno fino a formare una miscela che è in equilibrio a temperatura ambiente (orto-para: 75:25). Senza catalizzatore, la trasformazione avviene lentamente, il che rende possibile studiare le proprietà delle singole forme allotropiche. La molecola di idrogeno è biatomica - H₂. In condizioni normali è un gas incolore, inodore e insapore. L'idrogeno è il gas più leggero, la sua densità è molte volte inferiore alla densità dell'aria. Ovviamente quanto più piccola è la massa delle molecole tanto maggiore sarà la loro velocità a parità di temperatura. Essendo le molecole più leggere, le molecole di idrogeno si muovono più velocemente delle molecole di qualsiasi altro gas e quindi possono trasferire il calore più velocemente da un corpo all'altro. Ne consegue che l'idrogeno ha la più alta conduttività termica tra le sostanze gassose. La sua conduttività termica è circa sette volte superiore alla conduttività termica dell'aria.

Proprietà chimiche

Le molecole di idrogeno H₂ sono piuttosto forti e affinché l'idrogeno reagisca è necessario spendere molta energia: H 2 = 2H - 432 kJ Pertanto, a temperature normali, l'idrogeno reagisce solo con metalli molto attivi, ad esempio calcio, formando calcio idruro: Ca + H 2 = CaH 2 e con l'unico non metallico - fluoro, formando acido fluoridrico: F 2 + H 2 = 2HF Con la maggior parte dei metalli e non metalli, l'idrogeno reagisce a temperature elevate o sotto altri influssi, ad esempio , illuminazione. Può “togliere” ossigeno ad alcuni ossidi, ad esempio: CuO + H 2 = Cu + H 2 0 L'equazione scritta riflette la reazione di riduzione. Le reazioni di riduzione sono processi in cui l'ossigeno viene rimosso da un composto; Le sostanze che tolgono ossigeno sono chiamate agenti riducenti (essi stessi si ossidano). Successivamente verrà data un'altra definizione dei concetti “ossidazione” e “riduzione”. UN questa definizione, storicamente il primo, resta importante anche oggi, soprattutto in chimica organica. La reazione di riduzione è l'opposto della reazione di ossidazione. Entrambe queste reazioni avvengono sempre contemporaneamente come un unico processo: quando una sostanza viene ossidata (ridotta), la riduzione (ossidazione) di un'altra avviene necessariamente contemporaneamente.

N2+3H2 → 2NH3

Forme con alogeni alogenuri di idrogeno:

F 2 + H 2 → 2 HF, la reazione avviene in modo esplosivo al buio e a qualsiasi temperatura, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, la reazione avviene in modo esplosivo, solo alla luce.

Interagisce con la fuliggine a fuoco elevato:

C + 2H 2 → CH 4

Interazione con metalli alcalini e alcalino terrosi

L'idrogeno si forma con metalli attivi idruri:

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

Idruri- sostanze solide, simili al sale, facilmente idrolizzate:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Interazione con ossidi metallici (solitamente elementi D)

Gli ossidi sono ridotti a metalli:

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

Idrogenazione dei composti organici

Quando l'idrogeno agisce sugli idrocarburi insaturi in presenza di un catalizzatore di nichel e a temperature elevate, avviene una reazione idrogenazione:

Canale 2 = Canale 2 + H 2 → Canale 3 - Canale 3

L'idrogeno riduce le aldeidi ad alcoli:

CH3CHO + H2 → C2H5OH.

Geochimica dell'idrogeno

Idrogeno - basico materiale da costruzione universo. È l'elemento più comune e tutti gli elementi si formano da esso come risultato di reazioni termonucleari e nucleari.

L'idrogeno libero H2 è relativamente raro nei gas terrestri, ma sotto forma di acqua svolge un ruolo estremamente importante nei processi geochimici.

L'idrogeno può essere presente nei minerali sotto forma di ione ammonio, ione idrossile e acqua cristallina.

Nell'atmosfera l'idrogeno viene continuamente prodotto a seguito della decomposizione dell'acqua ad opera della radiazione solare. Migra nell'atmosfera superiore e fugge nello spazio.

Applicazione

Energia dell'idrogeno

L'idrogeno atomico viene utilizzato per la saldatura con idrogeno atomico.

Nell’industria alimentare l’idrogeno è registrato come additivo alimentare E949, come il gas di imballaggio.

Caratteristiche del trattamento

Concentrazioni esplosive di idrogeno e ossigeno si verificano dal 4% al 96% in volume. In miscela con aria dal 4% al 75(74)% in volume.

Utilizzo dell'idrogeno

Nell'industria chimica, l'idrogeno viene utilizzato nella produzione di ammoniaca, sapone e plastica. Nell'industria alimentare, la margarina è prodotta da oli vegetali liquidi utilizzando idrogeno. L'idrogeno è molto leggero e sale sempre nell'aria. Un tempo i dirigibili e i palloncini erano riempiti di idrogeno. Ma negli anni '30. XX secolo Ci furono diversi terribili disastri quando i dirigibili esplosero e bruciarono. Al giorno d'oggi, i dirigibili sono pieni di gas elio. L'idrogeno viene utilizzato anche come carburante per missili. Un giorno, l’idrogeno potrebbe essere ampiamente utilizzato come carburante per automobili e camion. I motori a idrogeno non inquinano l’ambiente ed emettono solo vapore acqueo (sebbene la produzione stessa di idrogeno porti ad un certo inquinamento ambientale). Il nostro Sole è composto principalmente da idrogeno. Il calore e la luce solare sono il risultato del rilascio di energia nucleare dalla fusione dei nuclei di idrogeno.

Utilizzo dell’idrogeno come combustibile (economico)

La caratteristica più importante delle sostanze utilizzate come combustibili è il loro calore di combustione. Dal corso di chimica generale è noto che la reazione tra idrogeno e ossigeno avviene con rilascio di calore. Se prendi 1 mol di H 2 (2 g) e 0,5 mol di O 2 (16 g) a condizioni standard ed eccitare una reazione, quindi secondo l'equazione

H2 + 0,5 O2 = H2O

al termine della reazione si forma 1 mole di H 2 O (18 g) con rilascio di energia 285,8 kJ/mol (per confronto: il calore di combustione dell'acetilene è 1300 kJ/mol, del propano - 2200 kJ/mol) . 1 m³ di idrogeno pesa 89,8 g (44,9 mol). Pertanto, per produrre 1 m³ di idrogeno verranno consumati 12832,4 kJ di energia. Tenendo conto del fatto che 1 kWh = 3600 kJ, otteniamo 3,56 kWh di elettricità. Conoscendo la tariffa per 1 kWh di elettricità e il costo di 1 m³ di gas, possiamo concludere che è consigliabile passare all'idrogeno.

Ad esempio, il modello sperimentale Honda FCX di terza generazione con un serbatoio di idrogeno da 156 litri (contiene 3,12 kg di idrogeno a una pressione di 25 MPa) percorre 355 km. Di conseguenza, da 3,12 kg H2 si ottengono 123,8 kWh. Per 100 km, il consumo di energia sarà di 36,97 kWh. Conoscendo il costo dell'elettricità, il costo del gas o della benzina e il loro consumo per un'auto ogni 100 km, è facile calcolare l'effetto economico negativo del passaggio all'idrogeno delle auto. Diciamo (Russia 2008), 10 centesimi per kWh di elettricità portano al fatto che 1 m³ di idrogeno porta ad un prezzo di 35,6 centesimi, e tenendo conto dell'efficienza di decomposizione dell'acqua di 40-45 centesimi, la stessa quantità di kWh dalla combustione della benzina costa 12832,4 kJ/42000 kJ/0,7 kg/l*80 centesimi/l=34 centesimi a prezzi al dettaglio, mentre per l'idrogeno abbiamo calcolato opzione perfetta, senza tener conto del trasporto, dell'ammortamento delle attrezzature, ecc. Per il metano con un'energia di combustione di circa 39 MJ per m³, il risultato sarà da due a quattro volte inferiore a causa della differenza di prezzo (1 m³ per l'Ucraina costa 179 $, e per l'Europa $ 350). Cioè una quantità equivalente di metano costerà 10-20 centesimi.

Tuttavia, non dobbiamo dimenticare che quando bruciamo idrogeno otteniamo acqua pulita, da cui è stato estratto. Cioè, abbiamo una rinnovabile accumulatore energia senza danni all’ambiente, a differenza del gas o della benzina, che sono fonti primarie di energia.

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