EntradaCapítulo iv. Sustancias simples y complejas. hidrógeno y oxígeno. Propiedades químicas del hidrógeno. La importancia del hidrógeno en la naturaleza.
§3. Ecuación de reacción y cómo escribirla.
Interacción hidrógeno Con oxígeno, como estableció Sir Henry Cavendish, conduce a la formación de agua. Sigamos con esto ejemplo sencillo aprendamos a componer ecuaciones de reacciones químicas.
que sale de hidrógeno Y oxígeno, ya sabemos:
H 2 + O 2 → H 2 O
Ahora tengamos en cuenta que los átomos de los elementos químicos en las reacciones químicas no desaparecen ni aparecen de la nada, no se transforman entre sí, sino combinar en nuevas combinaciones, formando nuevas moléculas. Esto significa que en la ecuación de una reacción química debe haber la misma cantidad de átomos de cada tipo. a reacciones ( izquierda del signo igual) y después el final de la reacción ( bien del signo igual), así:
2H2 + O2 = 2H2O
esto es todo ecuación de reacción - registro condicional de una reacción química en curso utilizando fórmulas de sustancias y coeficientes.
Esto significa que en la reacción dada dos lunares hidrógeno debe reaccionar con un topo oxígeno, y el resultado será dos lunares agua.
Interacción hidrógeno Con oxígeno- no es un proceso simple en absoluto. Conduce a un cambio en los estados de oxidación de estos elementos. Para seleccionar coeficientes en tales ecuaciones, generalmente usan el " balanza electrónica".
Cuando el agua se forma a partir de hidrógeno y oxígeno, significa que hidrógeno cambió su estado de oxidación de 0 a +yo, A oxígeno- de 0 a −II. En este caso, varios pasaron de átomos de hidrógeno a átomos de oxígeno. (norte) electrones:
Aquí sirve la donación de electrones de hidrógeno. agente reductor, y el oxígeno que acepta electrones es agente oxidante.
Agentes oxidantes y agentes reductores.
Veamos ahora cómo son los procesos de dar y recibir electrones por separado. Hidrógeno, al encontrarse con el oxígeno "ladrón", pierde todos sus activos: dos electrones y su estado de oxidación se vuelve igual +yo:
norte 2 0 - 2 mi− = 2Н +I
Funcionó ecuación de media reacción de oxidación hidrógeno.
Y el bandido- oxígeno o 2, habiendo tomado los últimos electrones del desafortunado hidrógeno, está muy satisfecho con su nuevo estado de oxidación. -II:
O2+4 mi− = 2O −II
Este ecuación de semirreacción de reducción oxígeno.
Queda por agregar que tanto el "bandido" como su "víctima" han perdido su individualidad química y están hechos de sustancias simples: gases con moléculas diatómicas. H2 Y o 2 se han convertido en componentes de una nueva sustancia química - agua H2O.
Además, razonaremos de la siguiente manera: cuántos electrones le dio el agente reductor al bandido oxidante, es decir, cuántos electrones recibió. El número de electrones donados por el agente reductor debe ser igual al número de electrones aceptados por el agente oxidante..
entonces es necesario igualar el número de electrones en la primera y segunda semirreacciones. En química, se acepta la siguiente forma convencional de escribir ecuaciones de semirreacción:
2 norte 2 0 - 2 mi− = 2Н +I |
|
1 o 2 0 + 4 mi− = 2O −II |
Aquí, los números 2 y 1 a la izquierda de la llave son factores que ayudarán a garantizar que la cantidad de electrones dados y recibidos sea igual. Tengamos en cuenta que en las ecuaciones de media reacción se dan 2 electrones y se aceptan 4. Para igualar el número de electrones aceptados y dados, encuentre el mínimo común múltiplo y los factores adicionales. En nuestro caso, el mínimo común múltiplo es 4. Los factores adicionales para el hidrógeno serán 2 (4: 2 = 2) y para el oxígeno - 1 (4: 4 = 1)
Los factores resultantes servirán como coeficientes de la futura ecuación de reacción:
2H 2 0 + O 2 0 = 2H 2 + YO O −II
Hidrógeno oxida no sólo cuando se reúne con oxígeno. Actúan sobre el hidrógeno aproximadamente de la misma manera. flúor F 2, un halógeno y un conocido "ladrón", y aparentemente inofensivo nitrógeno norte 2:
H 2 0 + F 2 0 = 2H +I F −I |
3H 2 0 + norte 2 0 = 2norte −III H 3 +yo |
En este caso resulta fluoruro de hidrógeno frecuencia cardíaca o amoníaco NH3.
En ambos compuestos el estado de oxidación es hidrógeno se vuelve igual +yo, porque consigue compañeros moleculares que son "codiciosos" de productos electrónicos de otras personas, con alta electronegatividad. flúor F Y nitrógeno norte. Ud. nitrógeno el valor de electronegatividad se considera igual a tres unidades convencionales, y fluoruro En general, la electronegatividad más alta entre todos los elementos químicos es de cuatro unidades. Así que no es de extrañar que dejaran al pobre átomo de hidrógeno sin ningún entorno electrónico.
Pero hidrógeno tal vez restaurar- aceptar electrones. Esto sucede si en la reacción con él participan metales alcalinos o calcio, que tienen una electronegatividad menor que el hidrógeno.
Características de los elementos s.
El bloque de elementos s incluye 13 elementos, cuyo común es la construcción de un nivel de energía externo en sus átomos del subnivel s.
Aunque el hidrógeno y el helio se clasifican como elementos s, debido a la naturaleza específica de sus propiedades, deben considerarse por separado. El hidrógeno, el sodio, el potasio, el magnesio y el calcio son elementos vitales.
Los compuestos de elementos s presentan patrones generales en sus propiedades, lo que se explica por la similitud de la estructura electrónica de sus átomos. Todos los electrones externos son electrones de valencia y participan en la formación de enlaces químicos. Por tanto, el estado de oxidación máximo de estos elementos en compuestos es igual a número electrones en la capa exterior y, en consecuencia, es igual al número del grupo en el que se encuentra el elemento. El estado de oxidación de los metales del elemento s siempre es positivo. Otra característica es que después de que se separan los electrones de la capa exterior, queda un ion con una capa de gas noble. A medida que aumenta el número atómico de un elemento o el radio atómico, la energía de ionización disminuye (de 5,39 eV y Li a 3,83 eV y Fr), y aumenta la actividad de reducción de los elementos.
La gran mayoría de los compuestos de elementos s son incoloros (a diferencia de los compuestos de elementos d), ya que la transición de los electrones d que causa el color desde niveles bajos niveles de energía a mayores niveles de energía.
Los compuestos de elementos de los grupos IA - IIA son sales típicas en una solución acuosa, se disocian casi por completo en iones y no están sujetos a hidrólisis catiónica (excepto las sales de Be 2+ y Mg 2+).
hidruro de hidrógeno iónico covalente
La complejación no es típica de los iones del elemento s. Los complejos cristalinos de s - elementos con ligandos H 2 O-hidratos cristalinos se conocen por tiempos antiguos, por ejemplo: Na 2 B 4 O 7 10H 2 O-bórax, KAl (SO 4) 2 12H 2 O-alum. Las moléculas de agua en los hidratos cristalinos se agrupan alrededor del catión, pero a veces rodean completamente al anión. Debido a la pequeña carga iónica y al gran radio iónico, los metales alcalinos son menos propensos a formar complejos, incluidos los complejos acuáticos. Los iones de litio, berilio y magnesio actúan como agentes complejantes en compuestos complejos de baja estabilidad.
Hidrógeno. Propiedades químicas hidrógeno
El hidrógeno es el elemento s más ligero. Su configuración electrónica en el estado fundamental 1S 1. Un átomo de hidrógeno consta de un protón y un electrón. La peculiaridad del hidrógeno es que su electrón de valencia se encuentra directamente en la esfera de acción. núcleo atómico. El hidrógeno no tiene una capa electrónica intermedia, por lo que no puede considerarse un análogo electrónico de los metales alcalinos.
Al igual que los metales alcalinos, el hidrógeno es un agente reductor y presenta un estado de oxidación de +1. Los espectros del hidrógeno son similares a los espectros de los metales alcalinos. Lo que hace que el hidrógeno sea similar a los metales alcalinos es su capacidad para producir un ion H + hidratado y cargado positivamente en soluciones.
Al igual que a un halógeno, al átomo de hidrógeno le falta un electrón. Esto determina la existencia del ion H - hidruro.
Además, al igual que los átomos de halógeno, los átomos de hidrógeno se caracterizan por una alta energía de ionización (1312 kJ/mol). Por tanto, el hidrógeno ocupa una posición especial en la tabla periódica de elementos.
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y representa hasta la mitad de la masa del sol y de la mayoría de las estrellas.
En el Sol y otros planetas, el hidrógeno se encuentra en estado atómico, en el medio interestelar en forma de moléculas diatómicas parcialmente ionizadas.
El hidrógeno tiene tres isótopos; protio 1 H, deuterio 2 D y tritio 3 T, y el tritio es un isótopo radiactivo.
Las moléculas de hidrógeno se caracterizan por su alta resistencia y baja polarización, tamaños pequeños y peso ligero y tener gran movilidad. Por tanto, el hidrógeno tiene puntos de fusión (-259,2 o C) y puntos de ebullición (-252,8 o C) muy bajos. Debido a la alta energía de disociación (436 kJ/mol), la desintegración de las moléculas en átomos se produce a temperaturas superiores a 2000 o C. El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido. Tiene una densidad baja: 8,99·10 -5 g/cm. A presiones muy altas, el hidrógeno se transforma en un estado metálico. Se cree que en planetas distantes. sistema solar- En Júpiter y Saturno, el hidrógeno se encuentra en estado metálico. Se supone que la composición del núcleo de la Tierra también incluye hidrógeno metálico, donde se encuentra en super hipertensión creado por el manto terrestre.
Propiedades químicas. A temperatura ambiente, el hidrógeno molecular reacciona solo con flúor, cuando se irradia con luz, con cloro y bromo, y cuando se calienta con O 2, S, Se, N 2, C, I 2.
Las reacciones del hidrógeno con el oxígeno y los halógenos se desarrollan mediante un mecanismo radicalario.
La interacción con el cloro es un ejemplo de reacción no ramificada cuando se irradia con luz (activación fotoquímica) o cuando se calienta (activación térmica).
Сl+ H2 = HCl + H (desarrollo de cadena)
H+ Cl2 = HCl + Cl
La explosión de un gas detonante, una mezcla de hidrógeno y oxígeno, es un ejemplo de proceso de cadena ramificada, cuando el inicio de la cadena incluye no una, sino varias etapas:
H2 + O2 = 2OH
H+ O 2 = OH+O
O+ H 2 = OH+ H
OH + H 2 = H 2 O + H
Se puede evitar un proceso de explosión si se trabaja con hidrógeno puro.
Dado que el hidrógeno se caracteriza por un estado de oxidación positivo (+1) y negativo (-1), el hidrógeno puede exhibir propiedades tanto reductoras como oxidantes.
Las propiedades reductoras del hidrógeno se manifiestan al interactuar con no metales:
H2 (g) + Cl2 (g) = 2HCl (g),
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g),
Estas reacciones proceden con la liberación de una gran cantidad de calor, lo que indica la alta energía (fuerza) de los enlaces H-Cl, H-O. Por lo tanto, el hidrógeno presenta propiedades reductoras hacia muchos óxidos y haluros, por ejemplo:
Ésta es la base para el uso del hidrógeno como agente reductor para la producción de sustancias simples a partir de óxidos de halogenuros.
Un agente reductor aún más fuerte es el hidrógeno atómico. Se forma a partir de una descarga de electrones moleculares en condiciones de baja presión.
El hidrógeno tiene una alta actividad reductora en el momento de su liberación durante la interacción de un metal con un ácido. Este hidrógeno reduce el CrCl 3 a CrCl 2:
2CrCl 3 + 2HCl + 2Zn = 2CrCl 2 + 2ZnCl 2 +H 2 ^
La interacción del hidrógeno con el óxido de nitrógeno (II) es importante:
2NO + 2H2 = N2 + H2O
Utilizado en sistemas de purificación para la producción de ácido nítrico.
Como agente oxidante, el hidrógeno interactúa con metales activos:
En este caso, el hidrógeno se comporta como un halógeno, formándose similares a los haluros. hidruros.
Los hidruros de elementos s del grupo I tienen una estructura iónica del tipo NaCl. Químicamente, los hidruros iónicos se comportan como compuestos básicos.
Los hidruros covalentes incluyen hidruros de elementos no metálicos que son menos electronegativos que el propio hidrógeno, por ejemplo, hidruros de la composición SiH 4, BH 3, CH 4. Por naturaleza química, los hidruros no metálicos son compuestos ácidos.
Un rasgo característico de la hidrólisis de hidruros es la liberación de hidrógeno; la reacción se desarrolla mediante un mecanismo redox.
hidruro básico
hidruro ácido
Debido a la liberación de hidrógeno, la hidrólisis se produce de forma completa e irreversible (?H<0, ?S>0). En este caso, los hidruros básicos forman un álcali y los hidruros ácidos, un ácido.
El potencial estándar del sistema es B. Por lo tanto, el ion H es un fuerte agente reductor.
En el laboratorio, el hidrógeno se produce haciendo reaccionar zinc con ácido sulfúrico al 20% en un aparato Kipp.
El zinc técnico a menudo contiene pequeñas impurezas de arsénico y antimonio, que se reducen con hidrógeno durante la liberación a gases venenosos: arsina SbH 3 y estabina SbH. Este hidrógeno puede envenenarle. Con zinc químicamente puro, la reacción avanza lentamente debido a la sobretensión y no se puede obtener una buena corriente de hidrógeno. La velocidad de esta reacción aumenta agregando cristales de sulfato de cobre; la reacción se acelera debido a la formación de un par galvánico Cu-Zn.
Se forma hidrógeno más puro por la acción de un álcali sobre el silicio o el aluminio cuando se calienta:
En la industria, el hidrógeno puro se produce mediante electrólisis de agua que contiene electrolitos (Na 2 SO 4, Ba (OH) 2).
Se produce una gran cantidad de hidrógeno como subproducto durante la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de sodio con un diafragma que separa los espacios del cátodo y del ánodo.
La mayor cantidad de hidrógeno se obtiene mediante gasificación de combustible sólido (antracita) con vapor de agua sobrecalentada:
O por conversión de gas natural (metano) con vapor sobrecalentado:
La mezcla resultante (gas de síntesis) se utiliza en la producción de muchos compuestos orgánicos. El rendimiento de hidrógeno se puede aumentar pasando gas de síntesis sobre el catalizador, que convierte el CO en CO 2 .
Solicitud. En la síntesis de amoníaco se consume una gran cantidad de hidrógeno. Para la producción de cloruro de hidrógeno y ácido clorhídrico, para hidrogenación. grasas vegetales, para la recuperación de metales (Mo, W, Fe) a partir de óxidos. La llama de hidrógeno-oxígeno se utiliza para soldar, cortar y fundir metales.
El hidrógeno líquido se utiliza como combustible para cohetes. El combustible de hidrógeno es respetuoso con el medio ambiente y consume más energía que la gasolina, por lo que en el futuro podrá sustituir a los productos derivados del petróleo. Varios centenares de coches en el mundo ya funcionan con hidrógeno. Los problemas de la energía del hidrógeno están relacionados con el almacenamiento y transporte de hidrógeno. El hidrógeno se almacena en camiones cisterna subterráneos en estado líquido a una presión de 100 atm. El transporte de grandes cantidades de hidrógeno líquido plantea graves riesgos.
El hidrógeno es el más común. elemento químico en el Universo. Esto es lo que forma la base de la materia combustible de las estrellas.
El hidrógeno es el primer elemento químico de la tabla periódica de Mendeleev. Su átomo tiene la estructura más simple: un solo electrón gira alrededor de la partícula elemental "protón" (núcleo atómico):
El hidrógeno natural se compone de tres isótopos: protio 1H, deuterio 2H y tritio 3H.
Tarea 12.1. Indique la estructura de los núcleos atómicos de estos isótopos.
Al tener un electrón en el nivel exterior, el átomo de hidrógeno puede exhibir la única valencia I posible:
Pregunta.¿Se forma un nivel exterior completo cuando un átomo de hidrógeno acepta electrones?
Por tanto, un átomo de hidrógeno puede tanto aceptar como ceder. uno electrón, es decir, es un no metal típico. EN cualquier compuestos átomo de hidrógeno uno valenteno
Sustancia simple "hidrógeno" H2- el gas es incoloro e inodoro, muy ligero. Es poco soluble en agua, pero muy soluble en muchos metales. Entonces, un volumen de paladio Рd Absorbe hasta 900 volúmenes de hidrógeno.
El esquema (1) muestra que el hidrógeno puede ser tanto un agente oxidante como un agente reductor, reaccionando con metales activos y muchos no metales:
Tarea 12.2. Determine en qué reacciones el hidrógeno es un agente oxidante y en cuáles es un agente reductor. tenga en cuenta que una molécula de hidrógeno consta de dos átomos.
Una mezcla de hidrógeno y oxígeno es un “gas explosivo”, porque cuando se enciende se produce una poderosa explosión que se ha cobrado muchas vidas. Por tanto, los experimentos en los que se libera hidrógeno deben realizarse lejos del fuego.
Muy a menudo, el hidrógeno presenta propiedades reductoras, que se utilizan en la producción de metales puros a partir de sus óxidos*:
* El aluminio presenta propiedades similares (ver lección 10 - aluminotermia).
Se producen diversas reacciones entre el hidrógeno y los compuestos orgánicos. Así, debido a la adición de hidrógeno ( hidrogenación) grasas liquidas convertirse en sólido ( más lección 25).
El hidrógeno se puede producir de diferentes formas:
- Interacción de metales con ácidos:
Tarea 12.3. aluminio, cobre y zinc con ácido clorhídrico. ¿En qué casos no se produce la reacción? ¿Por qué? En caso de dificultad, ver lecciones 2.2 y 8.3;
- Interacción de metales activos con agua:
Tarea 12.4. Escriba las ecuaciones para estas reacciones para sodio, bario, aluminio, hierro, plomo. ¿En qué casos no se produce la reacción? ¿Por qué? Si tiene alguna dificultad, consulte la Lección 8.3.
A escala industrial, el hidrógeno se produce por electrólisis del agua:
y también al pasar vapor de agua a través de limaduras de hierro candentes:
El hidrógeno es el elemento más común en el Universo. equivale a la mayor parte masa de estrellas y participa en la fusión termonuclear, la fuente de energía que emiten estas estrellas.
Oxígeno
El oxígeno es el elemento químico más común en nuestro planeta: más de la mitad de los átomos. la corteza terrestre representa el oxígeno. La sustancia oxígeno O2 constituye aproximadamente 1/5 de nuestra atmósfera, y el elemento químico oxígeno constituye 8/9 de la hidrosfera (el Océano Mundial).
En la tabla periódica de Mendeleev, el oxígeno tiene número de serie 8 y está en el grupo VI del segundo período. Por tanto, la estructura del átomo de oxígeno es la siguiente:
Al tener 6 electrones en el nivel exterior, el oxígeno es un no metal típico, es decir, añade dos electrón hasta completar el nivel exterior:
Por lo tanto, el oxígeno en sus compuestos exhibe valencia. II y estado de oxidación –2 (excepto peróxidos).
Al aceptar electrones, el átomo de oxígeno exhibe las propiedades de un agente oxidante. Esta propiedad del oxígeno es sumamente importante: los procesos de oxidación ocurren durante la respiración y el metabolismo; Los procesos de oxidación ocurren durante la combustión de sustancias simples y complejas.
Combustión: oxidación de sustancias simples y complejas., que va acompañado de la liberación de luz y calor. Casi todos los metales y no metales se queman u oxidan en una atmósfera de oxígeno. En este caso se forman óxidos:
* Más precisamente, Fe 3 O 4.
al quemar en oxígeno sustancias complejas se forman óxidos de elementos químicos, incluido en la sustancia original. En forma de sustancias simples, solo se liberan nitrógeno y halógenos:
La segunda de estas reacciones se utiliza como fuente de calor y energía en la vida cotidiana y en la industria, ya que el metano capítulo 4 forma parte del gas natural.
El oxígeno permite intensificar muchos procesos industriales y biológicos. El oxígeno se obtiene en grandes cantidades del aire, así como por electrólisis del agua (como el hidrógeno). En pequeñas cantidades se puede obtener por descomposición de sustancias complejas:
Tarea 12.5. Coloque los coeficientes en las ecuaciones de reacción dadas aquí.
Agua
El agua no puede ser reemplazada por nada, por eso se diferencia de casi todas las demás sustancias que se encuentran en nuestro planeta. El agua sólo puede ser reemplazada por el agua misma. No hay vida sin agua: después de todo, la vida en la Tierra surgió cuando apareció agua en ella. La vida se originó en el agua porque es un universal natural. solvente. Disuelve y, por tanto, tritura todos los nutrientes necesarios y los proporciona a las células de los organismos vivos. Y como resultado de la molienda, la velocidad de las reacciones químicas y bioquímicas aumenta considerablemente. Además, sin una disolución previa, ¡el 99,5% (199 de cada 200) reacciones no pueden ocurrir! (Ver también la lección 5.1.)
Se sabe que un adulto debe recibir entre 2,5 y 3 litros de agua al día y la misma cantidad se excreta del cuerpo: es decir, hay un equilibrio hídrico en el cuerpo humano. Si se viola, una persona puede simplemente morir. Por ejemplo, la pérdida de solo entre el 1% y el 2% de agua en una persona provoca sed y un 5% aumenta la temperatura corporal debido a una violación de la termorregulación: se producen palpitaciones y alucinaciones. Con una pérdida del 10% o más de agua en el cuerpo, se producen cambios que pueden ser ya irreversibles. La persona morirá por deshidratación.
El agua es una sustancia única. Su punto de ebullición debería ser de –80 °C (!), pero es de +100 °C. ¿Por qué? Porque entre los polos se forman moléculas de agua. enlaces de hidrógeno:
Por tanto, tanto el hielo como la nieve están sueltos y ocupan más volumen que el agua líquida. Como resultado, el hielo sube a la superficie del agua y protege a los habitantes de los embalses de la congelación. La nieve recién caída contiene mucho aire y es un excelente aislante térmico. Si la nieve cubre el suelo con una capa gruesa, tanto los animales como las plantas se salvan de las heladas más severas.
Además, el agua tiene una gran capacidad calorífica y es una especie de acumulador de calor. Por tanto, en las costas de mares y océanos el clima es templado y las plantas bien regadas sufren menos las heladas que las secas.
Sin agua es básicamente imposible. hidrólisis, reacción química, que necesariamente acompaña a la absorción de proteínas, grasas y carbohidratos, que son obligatorio componentes de nuestra comida. Como resultado de la hidrólisis, estas sustancias orgánicas complejas se descomponen en sustancias de bajo peso molecular que, de hecho, son absorbidas por un organismo vivo (para más detalles, consulte las lecciones 25 a 27). Hablamos de los procesos de hidrólisis en la lección 6. El agua reacciona con muchos metales y no metales, óxidos y sales.
Tarea 12.6. Escribe las ecuaciones de reacción:
- sodio + agua →
- cloro + agua →
- óxido de calcio + agua →
- óxido de azufre (IV) + agua →
- cloruro de zinc + agua →
- silicato de sodio + agua →
¿Esto cambia la reacción del medio (pH)?
El agua es producto muchas reacciones. Por ejemplo, en la reacción de neutralización y en muchas ORR, necesariamente se forma agua.
Tarea 12.7. Escriba las ecuaciones para estas reacciones.
Conclusiones
El hidrógeno es el elemento químico más abundante en el Universo y el oxígeno es el elemento químico más abundante en la Tierra. Estas sustancias exhiben propiedades opuestas: el hidrógeno es un agente reductor y el oxígeno es un agente oxidante. Por lo tanto, reaccionan fácilmente entre sí, formando la sustancia más sorprendente y más extendida en la Tierra: el agua.
Hidrógeno. Propiedades, producción, aplicación.Antecedentes históricos
El hidrógeno es el primer elemento de PSHE D.I. Mendeleev.
El nombre ruso del hidrógeno indica que “da origen al agua”; latín " hidrogeno" significa lo mismo.
La liberación de gases inflamables durante la interacción de ciertos metales con ácidos fue observada por primera vez por Robert Boyle y sus contemporáneos en la primera mitad del siglo XVI.
Pero el hidrógeno no fue descubierto hasta 1766 por el químico inglés Henry Cavendish, quien descubrió que cuando los metales interactúan con ácidos diluidos, se libera un cierto "aire inflamable". Al observar la combustión del hidrógeno en el aire, Cavendish descubrió que como resultado aparecía agua. Esto fue en 1782.
En 1783, el químico francés Antoine-Laurent Lavoisier aisló el hidrógeno descomponiendo agua con hierro caliente. En 1789, el hidrógeno se liberó mediante la descomposición del agua bajo la influencia de una corriente eléctrica.
Prevalencia en la naturaleza
Hidrógeno – elemento principal espacio. Por ejemplo, el Sol está formado por hidrógeno en el 70% de su masa. En el Universo hay varias decenas de miles de veces más átomos de hidrógeno que todos los átomos de todos los metales juntos.EN atmósfera terrestre También hay algo de hidrógeno en forma de una sustancia simple: un gas con la composición H 2. El hidrógeno es mucho más ligero que el aire y, por tanto, se encuentra en la atmósfera superior.
Pero en la Tierra hay mucho más hidrógeno unido: al fin y al cabo, forma parte del agua, la sustancia compleja más común en nuestro planeta. El petróleo, el gas natural, muchos minerales y rocas contienen hidrógeno unido en moléculas. El hidrógeno forma parte de todas las sustancias orgánicas.
Características del elemento hidrógeno.
El hidrógeno tiene una naturaleza dual; por esta razón, en algunos casos se ubica en el subgrupo de los metales alcalinos y en otros, en el subgrupo de los halógenos.
Configuración electrónica 1s 1 . Un átomo de hidrógeno consta de un protón y un electrón.
El átomo de hidrógeno es capaz de perder un electrón y convertirse en un catión H+, y en esto es similar a los metales alcalinos.
A un átomo de hidrógeno también se le puede añadir un electrón, formando así un anión H - en este sentido, el hidrógeno es similar a los halógenos;
Siempre monovalente en compuestos.
CO: +1 y -1.
Propiedades físicas del hidrógeno.
El hidrógeno es un gas, incoloro, insípido e inodoro. 14,5 veces más ligero que el aire. Ligeramente soluble en agua. Tiene alta conductividad térmica. En t= –253 °С se licua, en t= –259 °С se endurece. Las moléculas de hidrógeno son tan pequeñas que pueden difundirse lentamente a través de muchos materiales: caucho, vidrio, metales, que se utilizan para purificar el hidrógeno de otros gases.Se conocen tres isótopos de hidrógeno: - protio, - deuterio, - tritio. La mayor parte del hidrógeno natural es el protio. El deuterio forma parte del agua pesada, que enriquece las aguas superficiales del océano. El tritio es un isótopo radiactivo.
Propiedades químicas del hidrógeno.
El hidrógeno es un no metal y tiene estructura molecular. Una molécula de hidrógeno consta de dos átomos conectados por un enlace covalente no polar. La energía de enlace en una molécula de hidrógeno es de 436 kJ/mol, lo que explica la baja actividad química del hidrógeno molecular.
Interacción con halógenos. A temperaturas normales, el hidrógeno reacciona sólo con el flúor:
Con cloro, solo a la luz, formando cloruro de hidrógeno; con bromo, la reacción es menos vigorosa y con yodo no se completa ni siquiera a altas temperaturas;
Interacción con el oxígeno – cuando se calienta, cuando se enciende, la reacción procede con una explosión: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
Una mezcla de 1 parte de oxígeno y 2 partes de hidrógeno es una "mezcla explosiva" y es la más explosiva.
Interacción con azufre - cuando se calienta H 2 + S = H 2 S.
Interacción con nitrógeno. Con calor, alta presión y en presencia de un catalizador:
Interacción con óxido nítrico (II). Utilizado en sistemas de purificación para la producción de ácido nítrico: 2NO + 2H 2 = N 2 + 2H 2 O.
Interacción con óxidos metálicos. El hidrógeno es un buen agente reductor; reduce muchos metales de sus óxidos: CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
El hidrógeno atómico es un fuerte agente reductor. Se forma a partir de descargas eléctricas moleculares en condiciones de baja presión. Tiene alta actividad reductora. hidrógeno en el momento de la liberación, formado cuando un metal se reduce con ácido.
Interacción con metales activos. . A altas temperaturas se combina con metales alcalinos y alcalinotérreos y forma blanco. sustancias cristalinas– hidruros metálicos, que presentan propiedades oxidantes: 2Na + H 2 = 2NaH;
producción de hidrógeno
En el laboratorio:
Interacción del metal con soluciones diluidas de ácidos sulfúrico y clorhídrico.
Interacción de aluminio o silicio con soluciones acuosas de álcalis:
Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2.
En la industria:
Electrólisis de soluciones acuosas de cloruros de sodio y potasio o electrólisis de agua en presencia de hidróxidos:
2H2O = 2H2 + O2.
Método de conversión. Primero, el gas agua se obtiene haciendo pasar vapor de agua a través de coque caliente a 1000 °C:
Luego, el monóxido de carbono (II) se oxida a monóxido de carbono (IV) haciendo pasar una mezcla de agua gaseosa con exceso de vapor de agua sobre un catalizador de Fe 2 O 3 calentado a 400–450 ° C:
CO + H 2 O = CO 2 + H 2.
El monóxido de carbono (IV) resultante es absorbido por el agua y de esta forma se produce el 50% del hidrógeno industrial.
Conversión de metano: CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2.
Descomposición térmica del metano a 1200 °C: CH 4 = C + 2H 2.
Enfriamiento profundo (hasta -196 °C) del gas de coquería. A esta temperatura, todas las sustancias gaseosas, excepto el hidrógeno, se condensan.
El uso del hidrógeno se basa en sus propiedades físicas y químicas:
como gas ligero, se utiliza para inflar globos (mezclado con helio);
la llama de oxígeno-hidrógeno se utiliza para obtener altas temperaturas al soldar metales;
como agente reductor se utiliza para obtener metales (molibdeno, tungsteno, etc.) a partir de sus óxidos;
para la producción de amoniaco y combustible líquido artificial, para la hidrogenación de grasas.
En la tabla periódica tiene su propia. lugar especifico posición, que refleja las propiedades que exhibe y habla de su estructura electrónica. Sin embargo, entre todos ellos hay un átomo especial que ocupa dos células a la vez. Se ubica en dos grupos de elementos que son completamente opuestos en sus propiedades. Esto es hidrógeno. Estas características lo hacen único.
El hidrógeno no es solo un elemento, sino también una sustancia simple, así como componente muchos compuestos complejos, elemento biogénico y organógeno. Por tanto, consideremos sus características y propiedades con más detalle.
El hidrógeno como elemento químico.
El hidrógeno es un elemento del primer grupo del subgrupo principal, así como del séptimo grupo del subgrupo principal en el primer período menor. Este período consta de sólo dos átomos: el helio y el elemento que estamos considerando. Describamos las principales características de la posición del hidrógeno en la tabla periódica.
- El número atómico del hidrógeno es 1, el número de electrones es el mismo y, en consecuencia, el número de protones es el mismo. Masa atómica - 1,00795. Hay tres isótopos de este elemento con números de masa 1, 2, 3. Sin embargo, las propiedades de cada uno de ellos son muy diferentes, ya que un aumento de masa incluso en uno para el hidrógeno es inmediatamente el doble.
- El hecho de que contenga solo un electrón en su superficie exterior le permite exhibir con éxito propiedades tanto oxidantes como reductoras. Además, tras la donación de un electrón, éste queda con un orbital libre, que participa en la formación de enlaces químicos según el mecanismo donante-aceptor.
- El hidrógeno es un fuerte agente reductor. Por lo tanto, se considera que su lugar principal es el primer grupo del subgrupo principal, donde encabeza los metales más activos: los álcalis.
- Sin embargo, cuando interactúa con agentes reductores fuertes, como los metales, también puede ser un agente oxidante que acepta un electrón. Estos compuestos se llaman hidruros. Según esta característica, encabeza el subgrupo de halógenos con los que es similar.
- Debido a su masa atómica muy pequeña, el hidrógeno se considera el elemento más ligero. Además, su densidad también es muy baja, por lo que también es un referente de ligereza.
Por tanto, es obvio que el átomo de hidrógeno es un elemento completamente único, a diferencia de todos los demás elementos. En consecuencia, sus propiedades también son especiales, siendo muy importantes las sustancias simples y complejas que se forman. Considerémoslos más a fondo.
Sustancia simple
Si hablamos de este elemento como una molécula, entonces debemos decir que es diatómico. Es decir, el hidrógeno (una sustancia simple) es un gas. Su fórmula empírica se escribirá como H2 y su fórmula gráfica se escribirá mediante una relación sigma única H-H. El mecanismo de formación de enlaces entre átomos es covalente no polar.
- Reformado de metano con vapor.
- Gasificación del carbón: el proceso consiste en calentar el carbón a 1000 0 C, lo que da como resultado la formación de hidrógeno y carbón con alto contenido de carbono.
- Electrólisis. Este método sólo se puede utilizar para soluciones acuosas de diversas sales, ya que las masas fundidas no provocan una descarga de agua en el cátodo.
Métodos de laboratorio para producir hidrógeno:
- Hidrólisis de hidruros metálicos.
- El efecto de los ácidos diluidos sobre los metales activos y de actividad media.
- Interacción de metales alcalinos y alcalinotérreos con agua.
Para recoger el hidrógeno producido, debes sostener el tubo de ensayo boca abajo. Al fin y al cabo, este gas no se puede recoger del mismo modo que, por ejemplo, dióxido de carbono. Esto es hidrógeno, es mucho más ligero que el aire. Se evapora rápidamente y en grandes cantidades explota cuando se mezcla con aire. Por tanto, se debe invertir el tubo de ensayo. Después de llenarlo se debe cerrar con un tapón de goma.
Para comprobar la pureza del hidrógeno recogido, conviene llevar una cerilla encendida al cuello. Si el aplauso es sordo y silencioso, significa que el gas está limpio, con mínimas impurezas en el aire. Si hace ruido y silba, está sucio y con una gran proporción de componentes extraños.
Áreas de uso
Cuando se quema hidrógeno, se libera una cantidad tan grande de energía (calor) que este gas se considera el combustible más rentable. Además, es respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, hasta la fecha su aplicación en este ámbito es limitada. Esto se debe a los problemas que plantea la síntesis de hidrógeno puro, que sería apto para su uso como combustible en reactores, motores y dispositivos portátiles, así como calderas de calefacción de edificios residenciales.
Después de todo, los métodos para producir este gas son bastante caros, por lo que primero es necesario desarrollar un método de síntesis especial. Uno que te permitirá obtener el producto en grandes volúmenes y al mínimo coste.
Hay varias áreas principales en las que se utiliza el gas que estamos considerando.
- Síntesis químicas. La hidrogenación se utiliza para producir jabones, margarinas y plásticos. Con la participación de hidrógeno, se sintetizan metanol y amoníaco, así como otros compuestos.
- EN industria alimentaria- como aditivo E949.
- Industria de la aviación (ciencia espacial, fabricación de aviones).
- Industria de energía eléctrica.
- Meteorología.
- Combustible ecológico.
Evidentemente, el hidrógeno es tan importante como abundante en la naturaleza. Los diversos compuestos que forma desempeñan un papel aún mayor.
Compuestos de hidrógeno
Se trata de sustancias complejas que contienen átomos de hidrógeno. Existen varios tipos principales de tales sustancias.
- Halogenuros de hidrógeno. La fórmula general es HHal. Importancia especial entre ellos se encuentra el cloruro de hidrógeno. Es un gas que se disuelve en agua para formar una solución de ácido clorhídrico. Este ácido se utiliza ampliamente en casi todas las síntesis químicas. Además, tanto orgánicos como inorgánicos. El cloruro de hidrógeno es un compuesto con fórmula empírica HCL y es uno de los más producidos anualmente en nuestro país. Los haluros de hidrógeno también incluyen yoduro de hidrógeno, fluoruro de hidrógeno y bromuro de hidrógeno. Todos ellos forman los ácidos correspondientes.
- Volátiles Casi todos ellos son gases bastante venenosos. Por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, metano, silano, fosfina y otros. Al mismo tiempo, son muy inflamables.
- Los hidruros son compuestos con metales. Pertenecen a la clase de las sales.
- Hidróxidos: bases, ácidos y compuestos anfóteros. Contienen necesariamente átomos de hidrógeno, uno o más. Ejemplo: NaOH, K 2, H 2 SO 4 y otros.
- Hidróxido de hidrógeno. Este compuesto es mejor conocido como agua. Otro nombre es óxido de hidrógeno. La fórmula empírica se ve así: H 2 O.
- Peróxido de hidrógeno. Este es un agente oxidante fuerte, cuya fórmula es H 2 O 2.
- Numerosos compuestos orgánicos: hidrocarburos, proteínas, grasas, lípidos, vitaminas, hormonas, aceites esenciales y otros.
Es obvio que la variedad de compuestos del elemento que estamos considerando es muy amplia. Esto confirma una vez más su gran importancia para la naturaleza y el hombre, así como para todos los seres vivos.
- este es el mejor solvente
Como se mencionó anteriormente, el nombre común de esta sustancia es agua. Consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, conectados por enlaces polares covalentes. La molécula de agua es un dipolo, esto explica muchas de las propiedades que presenta. En particular, es un disolvente universal.
esta en medio acuático Casi todos los procesos químicos ocurren. Reacciones internas del plástico y metabolismo energético en los organismos vivos también se llevan a cabo utilizando óxido de hidrógeno.
El agua se considera, con razón, la sustancia más importante del planeta. Se sabe que ningún organismo vivo puede vivir sin él. En la Tierra puede existir en tres estados de agregación:
- líquido;
- gas (vapor);
- sólido (hielo).
Dependiendo del isótopo de hidrógeno incluido en la molécula, se distinguen tres tipos de agua.
- Luz o protio. Un isótopo con número de masa 1. Fórmula - H 2 O. Esta es la forma habitual que utilizan todos los organismos.
- Deuterio o pesado, su fórmula es D 2 O. Contiene el isótopo 2 H.
- Súper pesado o tritio. La fórmula se parece a T 3 O, isótopo - 3 H.
Las reservas de agua dulce protium en el planeta son muy importantes. Ya hay escasez en muchos países. Se están desarrollando métodos para tratar el agua salada y producir agua potable.
El peróxido de hidrógeno es un remedio universal.
Este compuesto, como se mencionó anteriormente, es un excelente agente oxidante. Sin embargo, con representantes fuertes también puede comportarse como un restaurador. Además, tiene un efecto bactericida pronunciado.
Otro nombre para este compuesto es peróxido. Es de esta forma que se utiliza en medicina. Una solución al 3% de hidrato cristalino del compuesto en cuestión es un medicamento que se utiliza para tratar pequeñas heridas con el fin de desinfectarlas. Sin embargo, se ha comprobado que esto aumenta el tiempo de curación de la herida.
El peróxido de hidrógeno también se utiliza en el combustible para cohetes, en la industria para desinfección y blanqueo y como agente espumante para la producción de materiales apropiados (espuma, por ejemplo). Además, el peróxido ayuda a limpiar los acuarios, decolorar el cabello y blanquear los dientes. Sin embargo, daña los tejidos, por lo que los especialistas no lo recomiendan para estos fines.