خواص فیزیکی هیدروژن. خواص و کاربردهای هیدروژن

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

هیدروژن H یک عنصر شیمیایی است که یکی از رایج ترین ها در جهان ماست. جرم هیدروژن به عنوان یک عنصر در ترکیب مواد 75 درصد کل محتوای اتم های نوع دیگر است. این در مهمترین و حیاتی ترین اتصال روی این سیاره - آب است. یکی از ویژگی های متمایز هیدروژن این است که اولین عنصر در سیستم تناوبی عناصر شیمیایی D. I. Mendeleev است.

کشف و کاوش

نخستین اشارات به هیدروژن در نوشته های پاراسلسوس به قرن شانزدهم برمی گردد. اما جداسازی آن از مخلوط گازی هوا و مطالعه خواص قابل احتراق قبلاً در قرن هفدهم توسط دانشمند لمری انجام شد. هیدروژن توسط هنری کاوندیش شیمیدان، فیزیکدان و طبیعت شناس انگلیسی به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفت و به طور تجربی ثابت کرد که جرم هیدروژن در مقایسه با سایر گازها کوچکترین است. در مراحل بعدی توسعه علم، دانشمندان زیادی با او کار کردند، به ویژه لاووازیه که او را "زایش آب" نامید.

ویژگی با توجه به موقعیت در PSHE

عنصری که باز می شودجدول تناوبی D. I. مندلیف، هیدروژن است. خواص فیزیکی و شیمیایی اتم دوگانگی را نشان می دهد، زیرا هیدروژن به طور همزمان به گروه اول، زیرگروه اصلی، اختصاص داده می شود، اگر مانند یک فلز رفتار کند و یک الکترون را در فرآیند یک واکنش شیمیایی از دست بدهد، و به هفتم - در مورد پر شدن کامل پوسته ظرفیت، یعنی ذره منفی دریافتی که آن را شبیه به هالوژن می داند.

ویژگی های ساختار الکترونیکی عنصر

خواص اتم هیدروژن، مواد پیچیده ای که بخشی از آن است، و ساده ترین ماده H₂ در درجه اول توسط پیکربندی الکترونی هیدروژن تعیین می شود. این ذره دارای یک الکترون با Z=(-1) است که در مدار خود به دور هسته می چرخد و حاوی یک پروتون با واحد جرم و بار مثبت (1+) است. پیکربندی الکترونیکی آن به صورت 1s^{1 نوشته شده است، که به معنای وجود یک ذره منفی در اولین و تنها اوربیتال s برای هیدروژن است.}

هنگامی که الکترون جدا می شود یا از بین می رود و اتم این عنصر دارای خاصیتی است که به فلزات مربوط می شود، یک کاتیون به دست می آید. در واقع یون هیدروژن یک ذره بنیادی مثبت است. بنابراین، هیدروژن بدون الکترون را به سادگی پروتون می نامند.

خواص فیزیکی

اگر خصوصیات فیزیکی هیدروژن را به اختصار توضیح دهیم، آنگاه گازی بی رنگ و کمی محلول با جرم اتمی نسبی برابر با 2، 14.5 برابر سبکتر از هوا، با درجه حرارت است.روانگرایی 252.8- درجه سانتیگراد.

به راحتی می توانید از تجربه دریافتید که H₂ ساده ترین است. برای انجام این کار، کافی است سه توپ را با مواد مختلف - هیدروژن، دی اکسید کربن، هوای معمولی - پر کنید و به طور همزمان آنها را از دست خود رها کنید. هوای پر شده با CO₂ سریعتر از هر کس دیگری به زمین می رسد، پس از آن مخلوط هوای متورم فرود می آید و آن که حاوی H_{2 است. تا سقف افزایش می یابد.}

جرم و اندازه کوچک ذرات هیدروژن توانایی آن را برای نفوذ از طریق مواد مختلف توجیه می کند. به عنوان مثال از همان توپ ، تأیید این امر آسان است ، در عرض چند روز خود باد می شود ، زیرا گاز به سادگی از لاستیک عبور می کند. همچنین، هیدروژن می تواند در ساختار برخی از فلزات (پالادیوم یا پلاتین) جمع شود و با افزایش دما از آن تبخیر شود.

خاصیت حلالیت کم هیدروژن در عمل آزمایشگاهی برای جداسازی آن با روش جابجایی آب استفاده می شود. خواص فیزیکی هیدروژن (جدول زیر شامل پارامترهای اصلی است) دامنه کاربرد و روش های تولید آن را تعیین می کند.

پارامتر یک اتم یا مولکول یک ماده ساده	معنا
جرم اتمی (جرم مولی)	1.008 g/mol
پیکربندی الکترونیکی	1s1
شبکه کریستالی	شش ضلعی
رسانایی حرارتی	(300 K) 0.1815 W/(m K)
تراکم در n. y.	0، 08987 گرم در لیتر
نقطه جوش	-252, 76 °C
ارزش حرارتی خاص	120، 9 106 J/kg
نقطه ذوب	-259, 2 °C
حلالیت در آب	18، 8ml/L

ترکیب ایزوتوپی

هیدروژن مانند بسیاری از نمایندگان سیستم تناوبی عناصر شیمیایی، چندین ایزوتوپ طبیعی دارد، یعنی اتم هایی با تعداد پروتون یکسان در هسته، اما تعداد متفاوتی نوترون - ذرات با بار و واحد صفر. جرم. نمونه‌هایی از اتم‌هایی که این ویژگی را دارند عبارتند از: اکسیژن، کربن، کلر، برم و غیره، از جمله اتم‌های رادیواکتیو.

خواص فیزیکی هیدروژن ¹H، رایج ترین نمایندگان این گروه، به طور قابل توجهی با ویژگی های مشابه همتایان خود متفاوت است. به ویژه، ویژگی های موادی که در آنها گنجانده شده اند متفاوت است. بنابراین، آب معمولی و دوتره شده وجود دارد که در ترکیب آن به جای یک اتم هیدروژن با یک پروتون، دوتریوم ²H - ایزوتوپ آن با دو ذره بنیادی: مثبت و بدون بار وجود دارد. این ایزوتوپ دو برابر سنگین‌تر از هیدروژن معمولی است که تفاوت اساسی در خواص ترکیباتی که آنها را تشکیل می‌دهند توضیح می‌دهد. در طبیعت، دوتریوم 3200 برابر کمیاب تر از هیدروژن است. سومین نماینده تریتیوم ^{3N است، در هسته دارای دو نوترون و یک پروتون است.}

روش های به دست آوردن و انتخاب

روش های آزمایشگاهی و صنعتی برای تولید هیدروژن بسیار متفاوت است. بله، در مقادیر کمگاز عمدتاً از طریق واکنش‌های مربوط به مواد معدنی تولید می‌شود، در حالی که تولید در مقیاس بزرگ تا حد زیادی از سنتز آلی استفاده می‌کند.

فعل و انفعالات شیمیایی زیر در آزمایشگاه استفاده می شود:

1. واکنش فلزات قلیایی و قلیایی خاکی با آب برای تشکیل قلیایی و گاز مورد نظر.
2. الکترولیز محلول الکترولیت آبی، H_{2↑ در آند آزاد می شود، و اکسیژن در کاتد آزاد می شود.}
3. تجزیه هیدریدهای فلزات قلیایی با آب، محصولات قلیایی و بر این اساس گاز H_2↑.
4. واکنش اسیدهای رقیق با فلزات برای تشکیل نمک و H_2↑.
5. عمل قلیاها بر روی سیلیکون، آلومینیوم و روی همچنین باعث آزاد شدن هیدروژن به موازات تشکیل نمک های پیچیده می شود.

در منافع صنعتی، گاز با روش هایی مانند: به دست می آید.

1. تجزیه حرارتی متان در حضور کاتالیزور به مواد ساده تشکیل دهنده آن (350 درجه به مقدار شاخصی مانند دما می رسد) - هیدروژن H_{2↑ و کربن C.}
2. عبور آب بخار از کک در دمای 1000 درجه سانتیگراد برای تشکیل دی اکسید کربن CO₂ و H_{2↑ (متداول ترین روش)}
3. تبدیل متان گازی بر روی کاتالیزور نیکل در دمای 800 درجه.
4. هیدروژن محصول جانبی الکترولیز محلول های آبی کلریدهای پتاسیم یا سدیم است.

شیمیاییتعاملات: کلیات

خواص فیزیکی هیدروژن تا حد زیادی رفتار آن را در فرآیندهای واکنش با این یا ترکیب دیگر توضیح می دهد. ظرفیت هیدروژن 1 است، زیرا در گروه اول جدول تناوبی قرار دارد و درجه اکسیداسیون متفاوت است. در همه ترکیبات، به جز هیدریدها، هیدروژن در s.o=(1+)، در مولکول هایی مانند ХН، ХН₂، ХН_{3 - (1 -).}

یک مولکول گاز هیدروژن که با ایجاد یک جفت الکترون تعمیم یافته تشکیل شده است، از دو اتم تشکیل شده و از نظر انرژی کاملاً پایدار است، به همین دلیل است که در شرایط عادی تا حدودی بی اثر است و با تغییر شرایط عادی وارد واکنش می شود. بسته به درجه اکسیداسیون هیدروژن در ترکیب سایر مواد، می تواند هم به عنوان یک عامل اکسید کننده و هم به عنوان یک عامل کاهنده عمل کند.

موادی که با آنها واکنش می دهد و هیدروژن تشکیل می دهد

فعل و انفعالات عنصری برای تشکیل مواد پیچیده (اغلب در دماهای بالا):

1. فلز قلیایی و قلیایی خاکی + هیدروژن=هیدرید.
2. Halogen + H_{2=هالید هیدروژن.}
3. گوگرد + هیدروژن=سولفید هیدروژن.
4. اکسیژن + H_2=آب.
5. کربن + هیدروژن=متان.
6. نیتروژن + H_{2=آمونیاک.}

برهم کنش با مواد پیچیده:

1. تولید گاز سنتز از مونوکسید کربن و هیدروژن.
2. بازیابی فلزات از اکسیدهای آنها با استفاده از H_2.
3. اشباع هیدروژن آلیفاتیک غیراشباعهیدروکربن ها.

پیوند هیدروژنی

خواص فیزیکی هیدروژن به گونه ای است که به آن اجازه می دهد، در ترکیب با یک عنصر الکترونگاتیو، نوع خاصی از پیوند را با همان اتم از مولکول های همسایه که دارای جفت های الکترون مشترک (مثلاً اکسیژن، نیتروژن و فلوئور). واضح ترین مثالی که بهتر است چنین پدیده ای را در نظر بگیریم آب است. می توان گفت که با پیوندهای هیدروژنی که ضعیف تر از پیوندهای کووالانسی یا یونی هستند دوخته می شود، اما به دلیل زیاد بودن آنها تأثیر بسزایی در خواص ماده دارند. اساساً پیوند هیدروژنی یک برهمکنش الکترواستاتیکی است که مولکول‌های آب را به دایمرها و پلیمرها متصل می‌کند و نقطه جوش بالای آن را ایجاد می‌کند.

هیدروژن در ترکیبات معدنی

ترکیب همه اسیدهای معدنی شامل یک پروتون - کاتیون یک اتم مانند هیدروژن است. ماده ای که باقیمانده اسید آن دارای حالت اکسیداسیون بیشتر از (-1) باشد، ترکیب پلی بازیک نامیده می شود. حاوی چندین اتم هیدروژن است که تجزیه در محلول های آبی را چند مرحله ای می کند. هر پروتون بعدی به سختی از بقیه اسید جدا می شود. با مقدار کمی هیدروژن در محیط، اسیدیته آن مشخص می شود.

هیدروژن همچنین دارای گروه های هیدروکسیل از بازها است. در آنها هیدروژن به یک اتم اکسیژن متصل است، در نتیجه حالت اکسیداسیون این باقیمانده قلیایی همیشه برابر با (-1) است. محتوای هیدروکسیل‌ها در محیط، باز بودن آن را تعیین می‌کند.

کاربرد در فعالیت های انسانی

سیلندرهای دارای یک ماده و همچنین ظروف حاوی گازهای مایع دیگر مانند اکسیژن ظاهر خاصی دارند. آنها به رنگ سبز تیره با حروف قرمز روشن "هیدروژن" رنگ آمیزی شده اند. گاز تحت فشار حدود 150 اتمسفر به داخل سیلندر پمپ می شود. خواص فیزیکی هیدروژن، به ویژه سبکی حالت گازی تجمع، برای پر کردن آن در مخلوطی با بالن های هلیوم، بالون ها و غیره استفاده می شود.

هیدروژن، خواص فیزیکی و شیمیایی که مردم سال ها پیش استفاده از آن را آموختند، در حال حاضر در بسیاری از صنایع استفاده می شود. بیشتر آن صرف تولید آمونیاک می شود. هیدروژن همچنین در تولید فلزات (هافنیوم، ژرمانیوم، گالیم، سیلیکون، مولیبدن، تنگستن، زیرکونیوم و غیره) از اکسیدها نقش دارد و در واکنش به عنوان یک عامل کاهنده، اسیدهای هیدروسیانیک و هیدروکلریک، متیل الکل و مایع مصنوعی عمل می کند. سوخت صنایع غذایی از آن برای تبدیل روغن‌های گیاهی به چربی جامد استفاده می‌کنند.

تعیین خواص شیمیایی و استفاده از هیدروژن در فرآیندهای مختلف هیدروژنه کردن و هیدروژنه کردن چربی ها، زغال سنگ، هیدروکربن ها، روغن ها و نفت کوره. به کمک آن، سنگ های قیمتی، لامپ های رشته ای تولید می شود، محصولات فلزی تحت تأثیر شعله اکسیژن-هیدروژن جعل و جوش داده می شوند.