Proprietà chimiche delle reazioni dell'idrogeno. Proprietà fisiche dell'idrogeno
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 a destra dello zinco nella serie di attività:
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 in reazioni di idrogenazione con composti organici della classe dei cicloalcani, alcheni, areni, aldeidi e chetoni, ecc. Tutte queste reazioni vengono effettuate con 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;
CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .
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 pari a -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 | Sulla base della struttura elettronica dell'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 agisce 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 grammi; 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. |
L'atomo di idrogeno ha la formula elettronica dell'elettrone esterno (e unico) di livello 1 S 1 . Da un lato, in termini di presenza di un elettrone sul livello elettronico esterno, l'atomo di idrogeno è simile agli atomi di metalli alcalini. Tuttavia, proprio come gli alogeni, è necessario un solo elettrone per riempire il livello elettronico esterno, poiché il primo livello elettronico non può contenere più di 2 elettroni. Si scopre che l'idrogeno può essere collocato simultaneamente sia nel primo che nel penultimo (settimo) gruppo della tavola periodica, cosa che a volte avviene in varie opzioni sistema periodico:
Dal punto di vista delle proprietà dell'idrogeno come sostanza semplice, ha ancora più cose in comune con gli alogeni. L'idrogeno, come gli alogeni, è un non metallo e forma molecole biatomiche (H 2) come loro.
In condizioni normali, l'idrogeno è una sostanza gassosa e poco attiva. La bassa attività dell'idrogeno è spiegata dall'elevata forza dei legami tra gli atomi di idrogeno nella molecola, la cui rottura richiede un forte riscaldamento, oppure l'uso di catalizzatori, o entrambi.
Interazione dell'idrogeno con sostanze semplici
con metalli
Tra i metalli, l'idrogeno reagisce solo con i metalli alcalini e alcalino terrosi! I metalli alcalini includono i metalli del sottogruppo principale Gruppo I(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) e metalli alcalino terrosi - metalli del sottogruppo principale del gruppo II, eccetto berillio e magnesio (Ca, Sr, Ba, Ra)
Quando si interagisce con i metalli attivi, si manifesta l'idrogeno proprietà ossidanti, cioè. abbassa il suo stato di ossidazione. In questo caso si formano idruri di metalli alcalini e alcalino terrosi, che hanno una struttura ionica. La reazione avviene quando riscaldato:
Va notato che l'interazione con i metalli attivi è l'unico caso in cui l'idrogeno molecolare H2 è un agente ossidante.
con non metalli
Dei non metalli, l'idrogeno reagisce solo con carbonio, azoto, ossigeno, zolfo, selenio e alogeni!
Per carbonio si intende grafite o carbonio amorfo, poiché il diamante è un materiale estremamente inerte. modificazione allotropica carbonio.
Quando interagisce con non metalli, l'idrogeno può svolgere solo la funzione di agente riducente, cioè aumentare solo il suo stato di ossidazione:
Interazione dell'idrogeno con sostanze complesse
con ossidi metallici
L'idrogeno non reagisce con gli ossidi metallici che si trovano nella serie di attività dei metalli fino all'alluminio (compreso), tuttavia è in grado di ridurre molti ossidi metallici a destra dell'alluminio quando riscaldato:
con ossidi non metallici
Tra gli ossidi non metallici, l'idrogeno reagisce quando riscaldato con gli ossidi di azoto, alogeni e carbonio. Di tutte le interazioni dell'idrogeno con gli ossidi non metallici, particolarmente degna di nota è la sua reazione con il monossido di carbonio CO.
La miscela di CO e H2 ha persino il suo nome: "gas di sintesi", poiché, a seconda delle condizioni, da esso si possono ottenere prodotti industriali popolari come metanolo, formaldeide e persino idrocarburi sintetici:
con acidi
L'idrogeno non reagisce con gli acidi inorganici!
Degli acidi organici, l'idrogeno reagisce solo con acidi insaturi, nonché con acidi contenenti gruppi funzionali capace di riduzione con idrogeno, in particolare gruppi aldeidici, chetonici o nitro.
con sali
Nel caso delle soluzioni acquose di sali, la loro interazione con l'idrogeno non avviene. Tuttavia, quando l'idrogeno viene fatto passare sui sali solidi di alcuni metalli di attività media e bassa, è possibile la loro riduzione parziale o completa, ad esempio:
Proprietà chimiche degli alogeni
Gli alogeni sono gli elementi chimici del gruppo VIIA (F, Cl, Br, I, At), nonché le sostanze semplici da essi costituite. Qui e nel seguito del testo, salvo diversa indicazione, gli alogeni saranno intesi come sostanze semplici.
Tutti gli alogeni hanno una struttura molecolare, che determina i bassi punti di fusione e di ebollizione di queste sostanze. Le molecole di alogeno sono biatomiche, cioè la loro formula può essere scritta come vista generale come Hal 2.
Va notato una proprietà fisica così specifica dello iodio come la sua capacità di farlo sublimazione o, in altre parole, sublimazione. Sublimazione, è un fenomeno in cui una sostanza allo stato solido non si scioglie quando riscaldata, ma, bypassando la fase liquida, passa immediatamente allo stato gassoso.
Struttura elettronica esterno livello di energia di un atomo di qualsiasi alogeno ha la forma ns 2 np 5, dove n è il numero del periodo della tavola periodica in cui si trova l'alogeno. Come puoi vedere, gli atomi di alogeno hanno bisogno di un solo elettrone per raggiungere il guscio esterno di otto elettroni. Da ciò è logico dedurre le proprietà prevalentemente ossidanti degli alogeni liberi, il che è confermato nella pratica. Come è noto, l'elettronegatività dei non metalli diminuisce quando si scende in un sottogruppo, e quindi l'attività degli alogeni diminuisce nella serie:
F2 > Cl2 > Br2 > I2
Interazione degli alogeni con sostanze semplici
Tutti gli alogeni sono alti sostanze attive e reagiscono con la maggior parte delle sostanze semplici. Tuttavia, va notato che il fluoro, a causa del suo livello estremamente elevato reattività possono reagire anche con quelle sostanze semplici con cui gli altri alogeni non possono reagire. Tali sostanze semplici includono ossigeno, carbonio (diamante), azoto, platino, oro e alcuni gas nobili (xeno e kripton). Quelli. In realtà, il fluoro non reagisce solo con alcuni gas nobili.
I rimanenti alogeni, cioè Anche cloro, bromo e iodio sono sostanze attive, ma meno attive del fluoro. Reagiscono con quasi tutte le sostanze semplici tranne l'ossigeno, l'azoto, il carbonio sotto forma di diamante, platino, oro e gas nobili.
Interazione degli alogeni con i non metalli
idrogeno
Quando tutti gli alogeni interagiscono con l'idrogeno, si formano alogenuri di idrogeno Con formula generale HHal. In questo caso la reazione del fluoro con l'idrogeno inizia spontaneamente anche al buio e procede con un'esplosione secondo l'equazione:
La reazione del cloro con l'idrogeno può essere avviata mediante un'intensa irradiazione ultravioletta o calore. Procede anche con l'esplosione:
Bromo e iodio reagiscono con l'idrogeno solo quando riscaldati e, allo stesso tempo, la reazione con lo iodio è reversibile:
fosforo
L'interazione del fluoro con il fosforo porta all'ossidazione del fosforo allo stato di ossidazione più elevato (+5). In questo caso si forma pentafluoruro di fosforo:
Quando cloro e bromo interagiscono con il fosforo, è possibile ottenere alogenuri di fosforo sia nello stato di ossidazione + 3 che nello stato di ossidazione +5, che dipende dalle proporzioni delle sostanze reagenti:
Inoltre, nel caso del fosforo bianco in atmosfera di fluoro, cloro o bromo liquido, la reazione inizia spontaneamente.
L'interazione del fosforo con lo iodio può portare alla formazione del solo trioduro di fosforo a causa della sua capacità ossidante significativamente inferiore rispetto a quella di altri alogeni:
grigio
Il fluoro ossida lo zolfo allo stato di ossidazione più alto +6, formando esafluoruro di zolfo:
Cloro e bromo reagiscono con lo zolfo, formando composti contenenti zolfo negli stati di ossidazione +1 e +2, che sono estremamente insoliti per questo. Queste interazioni sono molto specifiche e per superamento dell'Esame di Stato Unificato in chimica non è necessaria la capacità di scrivere equazioni per queste interazioni. Pertanto, le seguenti tre equazioni vengono fornite piuttosto come riferimento:
Interazione degli alogeni con i metalli
Come accennato in precedenza, il fluoro è in grado di reagire con tutti i metalli, anche quelli inattivi come il platino e l'oro:
I restanti alogeni reagiscono con tutti i metalli tranne platino e oro:
Reazioni degli alogeni con sostanze complesse
Reazioni di sostituzione con alogeni
Alogeni più attivi, ad es. i cui elementi chimici si trovano più in alto nella tavola periodica sono in grado di sostituire gli alogeni meno attivi dagli acidi idroalici e dagli alogenuri metallici che formano:
Allo stesso modo, il bromo e lo iodio sostituiscono lo zolfo dalle soluzioni di solfuri e/o idrogeno solforato:
Il cloro è un agente ossidante più forte e ossida l'idrogeno solforato nella sua soluzione acquosa non in zolfo, ma in acido solforico:
Reazione degli alogeni con l'acqua
L'acqua brucia nel fluoro con una fiamma blu secondo l'equazione di reazione:
Il bromo e il cloro reagiscono diversamente con l'acqua rispetto al fluoro. Se il fluoro agisse come agente ossidante, allora il cloro e il bromo sono sproporzionati nell'acqua, formando una miscela di acidi. In questo caso le reazioni sono reversibili:
L'interazione dello iodio con l'acqua avviene in misura così insignificante che può essere trascurata e si può presumere che la reazione non avvenga affatto.
Interazione degli alogeni con soluzioni alcaline
Il fluoro, quando interagisce con una soluzione acquosa di alcali, agisce nuovamente come agente ossidante:
La capacità di scrivere questa equazione non è necessaria per superare l'esame di stato unificato. È sufficiente conoscere la possibilità di tale interazione e il ruolo ossidativo del fluoro in questa reazione.
A differenza del fluoro, gli altri alogeni presenti nelle soluzioni alcaline sono sproporzionati, cioè aumentano e diminuiscono contemporaneamente il loro stato di ossidazione. Inoltre nel caso del cloro e del bromo, a seconda della temperatura, è possibile il flusso in due direzioni diverse. In particolare al freddo le reazioni procedono come segue:
e quando riscaldato:
Lo iodio reagisce con gli alcali esclusivamente secondo la seconda opzione, vale a dire con la formazione di iodato, perché L'ipoiodito non è stabile non solo se riscaldato, ma anche a temperature normali e persino al freddo.
L'idrogeno H è l'elemento più comune nell'Universo (circa il 75% in massa) e sulla Terra è il nono più abbondante. Il più importante composto naturale l'idrogeno è acqua.
L'idrogeno è al primo posto nella tavola periodica (Z = 1). Ha la struttura atomica più semplice: il nucleo dell'atomo è 1 protone, circondato da una nuvola di elettroni composta da 1 elettrone.
In alcune condizioni, l’idrogeno mostra proprietà metalliche (dona un elettrone), mentre in altre mostra proprietà non metalliche (accetta un elettrone).
Gli isotopi dell'idrogeno presenti in natura sono: 1H - protio (il nucleo è costituito da un protone), 2H - deuterio (D - il nucleo è costituito da un protone e un neutrone), 3H - trizio (T - il nucleo è costituito da un protone e due neutroni).
Sostanza semplice idrogeno
Una molecola di idrogeno è costituita da due atomi collegati da un legame covalente non polare.
Proprietà fisiche.
L’idrogeno è un gas incolore, inodore, insapore e non tossico. La molecola di idrogeno non è polare. Pertanto, le forze di interazione intermolecolare nell'idrogeno gassoso sono piccole. Questo si manifesta in basse temperature ebollizione (-252,6 0С) e fusione (-259,2 0С).
L'idrogeno è più leggero dell'aria, D (per aria) = 0,069; leggermente solubile in acqua (2 volumi di H2 si sciolgono in 100 volumi di H2O). Pertanto, l'idrogeno, quando prodotto in laboratorio, può essere raccolto mediante metodi di spostamento dell'aria o dell'acqua.
Produzione di idrogeno
Nel laboratorio:
1. Effetto degli acidi diluiti sui metalli:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2
2. Interazione tra alcalino e metalli con acqua:
Ca+2H2O → Ca(OH)2+H2
3. Idrolisi degli idruri: gli idruri metallici vengono facilmente decomposti dall'acqua per formare i corrispondenti alcali e idrogeno:
NaH +H2O → NaOH +H2
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2
4.L'effetto degli alcali su zinco, alluminio o silicio:
2Al +2NaOH +6H2O → 2Na +3H2
Zn +2KOH +2H2O → K2 +H2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Elettrolisi dell'acqua. Per aumentare la conduttività elettrica dell'acqua, viene aggiunto un elettrolita, ad esempio NaOH, H 2 SO 4 o Na 2 SO 4. Al catodo si formano 2 volumi di idrogeno e all'anodo 1 volume di ossigeno.
2H2O → 2H2 +O2
Produzione industriale di idrogeno
1. Conversione di metano con vapore, Ni 800 °C (più economica):
CH4 + H2O → CO + 3H2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
In totale:
CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2
2. Vapore acqueo attraverso coke caldo a 1000 o C:
C + H2O → CO + H2
CO+H2O → CO2+H2
Il monossido di carbonio (IV) risultante viene assorbito dall'acqua e in questo modo viene prodotto il 50% dell'idrogeno industriale.
3. Riscaldando il metano a 350°C in presenza di un catalizzatore di ferro o nichel:
CH4→C+2H2
4. Elettrolisi di soluzioni acquose di KCl o NaCl, come sottoprodotto:
2H2O + 2NaCl → Cl2 + H2 + 2NaOH
Proprietà chimiche dell'idrogeno
- Nei composti l’idrogeno è sempre monovalente. È caratterizzato da uno stato di ossidazione +1, ma negli idruri metallici è pari a -1.
- La molecola di idrogeno è composta da due atomi. L'emergere di una connessione tra loro è spiegata dalla formazione di una coppia generalizzata di elettroni H:H o H 2
- Grazie a questa generalizzazione degli elettroni, la molecola H 2 è energeticamente più stabile dei suoi singoli atomi. Per spezzare in atomi 1 mole di molecole di idrogeno è necessario spendere 436 kJ di energia: H 2 = 2H, ∆H° = 436 kJ/mol
- Ciò spiega l'attività relativamente bassa dell'idrogeno molecolare a temperature ordinarie.
- Con molti non metalli, l'idrogeno forma composti gassosi come RH 4, RH 3, RH 2, RH.
1) Forma alogenuri di idrogeno con alogeni:
H2 + Cl2 → 2HCl.
Allo stesso tempo esplode con il fluoro, reagisce con cloro e bromo solo quando illuminato o riscaldato e con iodio solo quando riscaldato.
2) Con ossigeno:
2H2 + O2 → 2H2O
con rilascio di calore. A temperature normali la reazione procede lentamente, sopra i 550°C esplode. Una miscela di 2 volumi di H 2 e 1 volume di O 2 è chiamata gas detonante.
3) Se riscaldato reagisce vigorosamente con lo zolfo (molto più difficile con selenio e tellurio):
H 2 + S → H 2 S (idrogeno solforato),
4) Con azoto con formazione di ammoniaca solo su catalizzatore e a temperature e pressioni elevate:
ZN2 + N2 → 2NH3
5) Con carbonio ad alte temperature:
2H2 + C → CH4 (metano)
6) Forma idruri con metalli alcalini e alcalino terrosi (l'idrogeno è un agente ossidante):
H2+2Li → 2LiH
negli idruri metallici, lo ione idrogeno è caricato negativamente (stato di ossidazione -1), cioè Na + H idruro - costruito in modo simile al cloruro di Na + Cl -
Con sostanze complesse:
7) Con ossidi metallici (utilizzati per ridurre i metalli):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O
8) con monossido di carbonio (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Il gas di sintesi (una miscela di idrogeno e monossido di carbonio) ha un'importante funzione significato pratico, perché a seconda della temperatura, pressione e catalizzatore, diverso composti organici, ad esempio HCHO, CH 3 OH e altri.
9) Gli idrocarburi insaturi reagiscono con l'idrogeno, saturandosi:
CnH2n+H2 → CnH2n+2.
L'idrogeno è un gas; è al primo posto nella tavola periodica. Il nome di questo elemento, molto diffuso in natura, è tradotto dal latino come “generatore di acqua”. Quindi quali proprietà fisiche e chimiche conosciamo dell’idrogeno?
Idrogeno: generalità
In condizioni normali, l'idrogeno non ha sapore, odore, colore.
Riso. 1. Formula dell'idrogeno.
Poiché un atomo ha un livello di energia elettronica, che può contenere un massimo di due elettroni, allora per uno stato stabile l'atomo può accettare un elettrone (stato di ossidazione -1) o cedere un elettrone (stato di ossidazione +1), esibendo un valenza costante I Ecco perché il simbolo dell'elemento idrogeno è posto non solo nel gruppo IA (sottogruppo principale del gruppo I) insieme ai metalli alcalini, ma anche nel gruppo VIIA (sottogruppo principale del gruppo VII) insieme agli alogeni . Anche gli atomi di alogeno mancano di un elettrone per riempire il livello esterno e, come l'idrogeno, non sono metalli. L'idrogeno mostra uno stato di ossidazione positivo nei composti in cui è associato a elementi non metallici più elettronegativi e uno stato di ossidazione negativo nei composti con metalli.
Riso. 2. La posizione dell'idrogeno nella tavola periodica.
L'idrogeno ha tre isotopi, ognuno dei quali ha il proprio nome: protio, deuterio, trizio. La quantità di quest'ultimo sulla Terra è trascurabile.
Proprietà chimiche dell'idrogeno
Nella sostanza semplice H2, il legame tra gli atomi è forte (energia di legame 436 kJ/mol), quindi l'attività dell'idrogeno molecolare è bassa. In condizioni normali, reagisce solo con metalli molto reattivi e l'unico non metallo con cui reagisce l'idrogeno è il fluoro:
F 2 +H 2 =2HF (fluoruro di idrogeno)
L'idrogeno reagisce con altre sostanze semplici (metalli e non metalli) e complesse (ossidi, composti organici non specificati) sia per irradiazione che per aumento di temperatura, oppure in presenza di un catalizzatore.
L'idrogeno brucia nell'ossigeno, liberandosi un ammontare significativo Calore:
2H2+O2 =2H2O
Una miscela di idrogeno e ossigeno (2 volumi di idrogeno e 1 volume di ossigeno) esplode violentemente quando viene accesa ed è quindi chiamata gas detonante. Quando si lavora con l'idrogeno è necessario seguire le norme di sicurezza.
Riso. 3. Gas esplosivo.
In presenza di catalizzatori, il gas può reagire con l'azoto:
3H2 +N2 =2NH3
– questa reazione a temperature e pressioni elevate produce ammoniaca nell’industria.
Ad alte temperature, l'idrogeno è in grado di reagire con zolfo, selenio e tellurio. e quando interagiscono con metalli alcalini e alcalino terrosi, si verifica la formazione di idruri: 4.3. Totale voti ricevuti: 152.
Quando si inizia a considerare le proprietà chimiche e fisiche dell'idrogeno, è necessario notare che si trova nel suo stato normale elemento chimicoè in forma gassosa. L'idrogeno incolore è inodore e insapore. Per la prima volta, questo elemento chimico è stato chiamato idrogeno dopo che lo scienziato A. Lavoisier ha condotto esperimenti con l'acqua, a seguito dei quali la scienza mondiale ha appreso che l'acqua è un liquido multicomponente che contiene idrogeno. Questo evento avvenne nel 1787, ma molto prima di questa data l’idrogeno era noto agli scienziati con il nome di “gas infiammabile”.
Idrogeno in natura
Secondo gli scienziati, l'idrogeno è contenuto nella crosta terrestre e nell'acqua (circa l'11,2% del volume totale dell'acqua). Questo gas fa parte di molti minerali che da secoli l'umanità estrae dalle viscere della terra. Alcune delle proprietà dell'idrogeno sono caratteristiche del petrolio, gas naturali e argilla, per organismi animali e vegetali. Ma nella sua forma pura, cioè non combinato con altri elementi chimici della tavola periodica, questo gas è estremamente raro in natura. Questo gas può raggiungere la superficie della terra durante le eruzioni vulcaniche. L'idrogeno libero è presente nell'atmosfera in quantità trascurabili.
Proprietà chimiche dell'idrogeno
Poiché le proprietà chimiche dell'idrogeno sono eterogenee, questo elemento chimico appartiene sia al gruppo I del sistema Mendeleev che al gruppo VII del sistema. Come membro del primo gruppo, l'idrogeno è essenzialmente un metallo alcalino che ha uno stato di ossidazione +1 nella maggior parte dei composti in cui si trova. La stessa valenza è caratteristica del sodio e di altri metalli alcalini. A causa di queste proprietà chimiche, l'idrogeno è considerato un elemento simile a questi metalli.
Se parliamo di idruri metallici, lo ione idrogeno ha una valenza negativa: il suo stato di ossidazione è -1. Na+H- è costruito secondo lo stesso schema del cloruro Na+Cl-. Questo fatto è la ragione per assegnare l'idrogeno al gruppo VII del sistema periodico. L'idrogeno, essendo allo stato di molecola, a condizione che si trovi in un ambiente ordinario, è inattivo e può combinarsi solo con non metalli che sono per lui più attivi. Questi metalli includono il fluoro; in presenza di luce, l'idrogeno si combina con il cloro. Se l'idrogeno viene riscaldato, diventa più attivo, reagendo con molti elementi della tavola periodica di Mendeleev.
L'idrogeno atomico mostra proprietà chimiche più attive dell'idrogeno molecolare. Le molecole di ossigeno formano l'acqua - H2 + 1/2O2 = H2O. Quando l'idrogeno interagisce con gli alogeni, si formano alogenuri di idrogeno H2 + Cl2 = 2HCl e l'idrogeno entra in questa reazione in assenza di luce e a temperature negative piuttosto elevate - fino a - 252°C. Le proprietà chimiche dell'idrogeno ne consentono l'utilizzo per la riduzione di molti metalli, poiché quando reagisce, l'idrogeno assorbe ossigeno dagli ossidi metallici, ad esempio CuO + H2 = Cu + H2O. L'idrogeno partecipa alla formazione dell'ammoniaca interagendo con l'azoto nella reazione ZH2 + N2 = 2NH3, ma a condizione che venga utilizzato un catalizzatore e che la temperatura e la pressione vengano aumentate.
Una reazione vigorosa si verifica quando l'idrogeno reagisce con lo zolfo nella reazione H2 + S = H2S, che risulta in idrogeno solforato. L'interazione dell'idrogeno con il tellurio e il selenio è leggermente meno attiva. Se non c'è il catalizzatore reagisce con il carbonio puro, l'idrogeno solo se creato alte temperature. 2H2 + C (amorfo) = CH4 (metano). Durante l'attività dell'idrogeno con alcuni alcali e altri metalli, si ottengono idruri, ad esempio H2 + 2Li = 2LiH.
Proprietà fisiche dell'idrogeno
L’idrogeno è una sostanza chimica molto leggera. Almeno, gli scienziati dicono che al momento non esiste una sostanza più leggera dell'idrogeno. La sua massa è 14,4 volte più leggera dell'aria, la sua densità è di 0,0899 g/l a 0°C. Alla temperatura di -259,1°C l'idrogeno è in grado di sciogliersi: si tratta di una temperatura molto critica, atipica per la trasformazione della maggior parte dei composti chimici da uno stato all'altro. Solo un elemento come l'elio supera le proprietà fisiche dell'idrogeno in questo senso. La liquefazione dell'idrogeno è difficile, poiché la sua temperatura critica è (-240°C). L’idrogeno è il gas più termoconduttore conosciuto dall’umanità. Tutte le proprietà sopra descritte sono le proprietà fisiche più significative dell'idrogeno utilizzate dall'uomo per scopi specifici. Inoltre, queste proprietà sono le più rilevanti per la scienza moderna.
