الخصائص الفيزيائية للهيدروجين. خصائص وتطبيقات الهيدروجين. الخواص الكيميائية للهيدروجين: الميزات والتطبيق هل يتفاعل الهيدروجين مع الماء

الهيدروجين غاز، وهو يحتل المرتبة الأولى في الجدول الدوري. يُترجم اسم هذا العنصر المنتشر في الطبيعة من اللاتينية على أنه "توليد المياه". إذن ما هي الخصائص الفيزيائية والكيميائية للهيدروجين التي نعرفها؟

الهيدروجين: معلومات عامة

في الظروف العادية، الهيدروجين ليس له طعم ولا رائحة ولا لون.

أرز. 1. صيغة الهيدروجين.

نظرًا لأن الذرة لديها مستوى طاقة إلكتروني واحد، والذي يمكن أن يحتوي على إلكترونين كحد أقصى، فإنه في الحالة المستقرة، يمكن للذرة إما أن تقبل إلكترونًا واحدًا (حالة الأكسدة -1) أو تتخلى عن إلكترون واحد (حالة الأكسدة +1)، مما يظهر أ التكافؤ الثابت I ولهذا السبب يتم وضع رمز عنصر الهيدروجين ليس فقط في المجموعة IA (المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة I) مع الفلزات القلوية، ولكن أيضًا في المجموعة VIIA (المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة VII) مع الهالوجينات . تفتقر ذرات الهالوجين أيضًا إلى إلكترون واحد لملء المستوى الخارجي، وهي، مثل الهيدروجين، لا فلزات. يظهر الهيدروجين حالة أكسدة إيجابية في المركبات حيث يرتبط بعناصر غير معدنية أكثر سالبية كهربية، وحالة أكسدة سلبية في المركبات التي تحتوي على معادن.

أرز. 2. موقع الهيدروجين في الجدول الدوري.

يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر، كل منها له اسمه الخاص: البروتيوم، الديوتيريوم، التريتيوم. كمية الأخير على الأرض لا يكاد يذكر.

الخواص الكيميائية للهيدروجين

في المادة البسيطة H2، تكون الرابطة بين الذرات قوية (طاقة الرابطة 436 كيلو جول/مول)، وبالتالي يكون نشاط الهيدروجين الجزيئي منخفضًا. في الظروف العادية، يتفاعل فقط مع المعادن شديدة التفاعل، واللافلز الوحيد الذي يتفاعل معه الهيدروجين هو الفلور:

F 2 + H 2 = 2HF (فلوريد الهيدروجين)

يتفاعل الهيدروجين مع مواد أخرى بسيطة (معادن وغير فلزية) ومعقدة (أكاسيد، مركبات عضوية غير محددة) إما عند التشعيع وزيادة درجة الحرارة، أو في وجود محفز.

يحترق الهيدروجين في الأكسجين، ويطلق كمية كبيرة من الحرارة:

2H2 +O2 =2H2O

ينفجر خليط من الهيدروجين والأكسجين (حجمين من الهيدروجين وحجم واحد من الأكسجين) بعنف عند اشتعاله ولذلك يسمى الغاز المتفجر. عند العمل مع الهيدروجين، يجب اتباع لوائح السلامة.

أرز. 3. الغاز المتفجر.

في وجود المحفزات، يمكن للغاز أن يتفاعل مع النيتروجين:

3H2 +N2 =2NH3

– هذا التفاعل عند درجات الحرارة والضغوط المرتفعة ينتج الأمونيا في الصناعة.

عند درجات الحرارة المرتفعة، يكون الهيدروجين قادرًا على التفاعل مع الكبريت والسيلينيوم والتيلوريوم. وعند التفاعل مع الفلزات القلوية والقلوية الأرضية يحدث تكوين الهيدريدات: 4.3. إجمالي التقييمات المستلمة: 152.

تعريف

هيدروجين– العنصر الأول من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية D.I. مندليف. الرمز - ن.

الكتلة الذرية – 1 أمو. جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - H2.

التكوين الإلكتروني لذرة الهيدروجين هو 1s 1. ينتمي الهيدروجين إلى عائلة العناصر s. يظهر في مركباته حالات الأكسدة -1، 0، +1. يتكون الهيدروجين الطبيعي من نظيرين مستقرين - البروتيوم 1H (99.98%) والديوتيريوم 2H (D) (0.015%) - والنظير المشع التريتيوم 3H (T) (كميات ضئيلة، عمر النصف - 12.5 سنة) .

الخواص الكيميائية للهيدروجين

في ظل الظروف العادية، يُظهر الهيدروجين الجزيئي تفاعلًا منخفضًا نسبيًا، وهو ما يفسره القوة العالية للروابط في الجزيء. عند تسخينه، فإنه يتفاعل مع جميع المواد البسيطة تقريبًا التي تتكون من عناصر المجموعات الفرعية الرئيسية (باستثناء الغازات النبيلة، B، Si، P، Al). في التفاعلات الكيميائية يمكن أن يعمل كعامل اختزال (في كثير من الأحيان) وعامل مؤكسد (في كثير من الأحيان).

يعرض الهيدروجين خصائص عامل الاختزال(H 2 0 -2e → 2H +) في التفاعلات التالية:

1. تفاعلات التفاعل مع المواد البسيطة - اللافلزات. يتفاعل الهيدروجين مع الهالوجيناتعلاوة على ذلك، تفاعل التفاعل مع الفلور في الظروف العادية، في الظلام، مع انفجار، مع الكلور - تحت الإضاءة (أو الأشعة فوق البنفسجية) وفقًا لآلية السلسلة، مع البروم واليود فقط عند تسخينه؛ الأكسجين(خليط الأكسجين والهيدروجين بنسبة حجم 2:1 يسمى "الغاز المتفجر")، رمادي, نتروجينو كربون:

ح 2 + هال 2 = 2HHal;

2H2 + O2 = 2H2O + Q (ر)؛

ح 2 + ق = ح 2 ق (ر = 150 - 300 درجة مئوية)؛

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C، p، kat = Fe، Pt)؛

2H 2 + C ↔ CH 4 (ر، ص، كات).

2. تفاعلات التفاعل مع المواد المعقدة. يتفاعل الهيدروجين مع أكاسيد المعادن منخفضة النشاط، وهو قادر على اختزال المعادن الموجودة في سلسلة النشاط على يمين الزنك فقط:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O (t)؛

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O (t)؛

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

يتفاعل الهيدروجين مع أكاسيد غير معدنية:

ح 2 + ثاني أكسيد الكربون 2 ↔ ثاني أكسيد الكربون + ح 2 يا (ر)؛

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

يدخل الهيدروجين في تفاعلات الهدرجة مع المركبات العضوية من فئة الألكانات الحلقية والألكينات والأرينات والألدهيدات والكيتونات وما إلى ذلك. وتتم جميع هذه التفاعلات بالتسخين وتحت الضغط باستخدام البلاتين أو النيكل كمحفزات:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3 ;

ج 6 ح 6 + 3 ح 2 ↔ ج 6 ح 12 ;

ج 3 ح 6 + ح 2 ↔ ج 3 ح 8 ؛

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH؛

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .

هيدروجين كعامل مؤكسد(H 2 +2e → 2H -) يظهر في التفاعلات مع الفلزات القلوية والقلوية الأرضية. في هذه الحالة، يتم تشكيل الهيدريدات - مركبات أيونية بلورية يظهر فيها الهيدروجين حالة أكسدة تبلغ -1.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (ر، ص).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t، p).

الخصائص الفيزيائية للهيدروجين

الهيدروجين غاز خفيف، عديم اللون، عديم الرائحة، كثيف في الظروف المحيطة. - 0.09 جم/لتر، أخف من الهواء بـ 14.5 مرة، درجة الغليان = -252.8 درجة مئوية، درجة الحرارة = - 259.2 درجة مئوية. الهيدروجين قليل الذوبان في الماء والمذيبات العضوية، وهو شديد الذوبان في بعض المعادن: النيكل والبلاديوم والبلاتين.

وفقا للكيمياء الكونية الحديثة، الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعا في الكون. الشكل الرئيسي لوجود الهيدروجين في الفضاء الخارجي هو الذرات الفردية. الهيدروجين هو العنصر التاسع الأكثر وفرة على الأرض بين جميع العناصر. الكمية الرئيسية من الهيدروجين على الأرض في حالة مقيدة - في تكوين الماء والنفط والغاز الطبيعي والفحم وما إلى ذلك. نادراً ما يوجد الهيدروجين على شكل مادة بسيطة - في تركيب الغازات البركانية.

إنتاج الهيدروجين

هناك طرق مختبرية وصناعية لإنتاج الهيدروجين. وتشمل الطرق المخبرية تفاعل المعادن مع الأحماض (1)، وكذلك تفاعل الألمنيوم مع المحاليل المائية للقلويات (2). من بين الطرق الصناعية لإنتاج الهيدروجين، يلعب التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للقلويات والأملاح (3) وتحويل الميثان (4) دورًا مهمًا:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H2 (1)؛

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

2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH (3)؛

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

يمارس

عندما تفاعل 23.8 جم من القصدير المعدني مع كمية زائدة من حمض الهيدروكلوريك، تم إطلاق الهيدروجين بكمية كافية للحصول على 12.8 جم من النحاس المعدني. حدد حالة أكسدة القصدير في المركب الناتج.

حل

بناءً على التركيب الإلكتروني لذرة القصدير (...5s 2 5p 2)، يمكننا أن نستنتج أن القصدير يتميز بحالتي أكسدة - +2، +4. وبناء على ذلك نقوم بإنشاء معادلات للتفاعلات المحتملة:

Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1)؛

Sn + 4HCl = 2H2 + SnCl 4 (2)؛

CuO + H 2 = Cu + H 2 O (3).

لنجد كمية مادة النحاس:

v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12.8/64 = 0.2 مول.

وفقا للمعادلة 3 فإن كمية مادة الهيدروجين:

v(H 2) = v(Cu) = 0.2 مول.

وبمعرفة كتلة القصدير نجد كمية مادته:

v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23.8/119 = 0.2 مول.

دعونا نقارن بين مقادير مادتي القصدير والهيدروجين حسب المعادلتين 1 و 2 وحسب شروط المشكلة:

v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (المعادلة 1)؛

v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (المعادلة 2)؛

v(Sn): v(H 2) = 0.2:0.2 = 1:1 (حالة المشكلة).

ولذلك يتفاعل القصدير مع حمض الهيدروكلوريك حسب المعادلة 1 وتكون حالة أكسدة القصدير هي +2.

إجابة

حالة أكسدة القصدير هي +2.

مثال 2

يمارس

تم تمرير الغاز المنطلق بفعل 2.0 جم من الزنك لكل 18.7 مل من حمض الهيدروكلوريك 14.6% (كثافة المحلول 1.07 جم/مل) عند تسخينه فوق 4.0 جم من أكسيد النحاس (II). ما كتلة الخليط الصلب الناتج؟

حل

عندما يتفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك، يتم إطلاق الهيدروجين:

Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (1)،

والذي عند تسخينه يختزل أكسيد النحاس (II) إلى النحاس (2):

CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

دعونا نجد كميات المواد في التفاعل الأول:

م (محلول حمض الهيدروكلوريك) = 18.7. 1.07 = 20.0 جم؛

م (حمض الهيدروكلوريك) = 20.0. 0.146 = 2.92 جم؛

الخامس (حمض الهيدروكلوريك) = 2.92/36.5 = 0.08 مول؛

v(Zn) = 2.0/65 = 0.031 مول.

هناك نقص في الزنك، وبالتالي فإن كمية الهيدروجين المنطلقة هي:

v(H 2) = v(Zn) = 0.031 مول.

في التفاعل الثاني، يكون الهيدروجين ناقصًا للأسباب التالية:

v(СuО) = 4.0/80 = 0.05 مول.

نتيجة للتفاعل، سيتحول 0.031 مول من CuO إلى 0.031 مول من النحاس، وسيكون فقدان الكتلة كما يلي:

م(СuО) – م(Сu) = 0.031×80 – 0.031×64 = 0.50 جم.

كتلة الخليط الصلب من CuO و Cu بعد مرور الهيدروجين ستكون:

4.0-0.5 = 3.5 جم.

إجابة

كتلة الخليط الصلب من CuO وCu هي 3.5 جم.

الهيدروجين هو مادة بسيطة H2 (ثنائي الهيدروجين، ثنائي البروتيوم، الهيدروجين الخفيف).

مختصر خاصية الهيدروجين:

اللافلزية.
غاز عديم اللون، يصعب تسييله.
ضعيف الذوبان في الماء.
يذوب بشكل أفضل في المذيبات العضوية.
الامتصاص الكيميائي للمعادن: الحديد، النيكل، البلاتين، البلاديوم.
عامل تخفيض قوي.
يتفاعل (عند درجات حرارة عالية) مع اللافلزات والمعادن وأكاسيد المعادن.
يتمتع الهيدروجين الذري H0، الذي تم الحصول عليه من التحلل الحراري لـ H2، بأكبر قدرة على الاختزال.
نظائر الهيدروجين:
- 1 ح - البروتينيوم
- 2 ح - الديوتيريوم (د)
- 3 ح - التريتيوم (T)
الوزن الجزيئي النسبي = 2.016
الكثافة النسبية للهيدروجين الصلب (t=-260°C) = 0.08667
الكثافة النسبية للهيدروجين السائل (t=-253°C) = 0.07108
الضغط الزائد (رقم) = 0.08988 جم / لتر
درجة حرارة الانصهار = -259.19 درجة مئوية
نقطة الغليان = -252.87 درجة مئوية
معامل ذوبان الهيدروجين الحجمي:
- (ر = 0 درجة مئوية) = 2.15؛
- (ر = 20 درجة مئوية) = 1.82؛
- (ر = 60 درجة مئوية) = 1.60؛

1. التحلل الحراري للهيدروجين(ر = 2000-3500 درجة مئوية):
ح 2 ↔ 2 ح 0

2. تفاعل الهيدروجين مع غير المعادن:

H 2 + F 2 = 2HF (ر=-250..+20 درجة مئوية)
H 2 + Cl 2 = 2HCl (عند حرقه أو تعريضه للضوء في درجة حرارة الغرفة):
- Cl2 = 2Cl0
- Cl0 +H2 = حمض الهيدروكلوريك+H0
- ح0 +كل2 = حمض الهيدروكلوريك+كل0
H2 +Br2 = 2HBr (t=350-500°C، محفز البلاتين)
H 2 + I 2 = 2HI (t=350-500°C، محفز البلاتين)
ح 2 + يا 2 = 2 ح 2 يا:
- ح 2 + يا 2 = 2أوه 0
- أوه 0 + ح 2 = ح 2 يا + ح 0
- ح 0 + يا 2 = أوه 0 + يا 0
- يا 0 + ح 2 = أوه 0 + ح 0
ح 2 + ق = ح 2 ق (ر=150..200 درجة مئوية)
3H2 +N2 = 2NH3 (t=500°C، محفز الحديد)
2H 2 + C(فحم الكوك) = CH 4 (t=600 درجة مئوية، محفز البلاتين)
H2 +2C(فحم الكوك) = C2H2 (ر=1500..2000 درجة مئوية)
H2 +2C(فحم الكوك)+N2 = 2HCN (درجة حرارة أكثر من 1800 درجة مئوية)

3. تفاعل الهيدروجين مع المواد المعقدة:

4H 2 + (Fe II Fe 2 III)O 4 = 3Fe+4H 2 O (أكثر من 570 درجة مئوية)
H 2 + Ag 2 SO 4 = 2Ag + H 2 SO 4 (درجة حرارة أكثر من 200 درجة مئوية)
4H 2 +2Na 2 SO 4 = Na 2 S + 4 H 2 O (ر = 550-600 درجة مئوية، المحفز Fe 2 O 3)
3H 2 +2BCl 3 = 2B + 6HCl (ر = 800-1200 درجة مئوية)
H 2 +2EuCl 3 = 2EuCl 2 +2HCl (t = 270 درجة مئوية)
4H2 +CO2 = CH4 +2H2O (ر = 200 درجة مئوية، محفز CuO2)
H 2 + CaC 2 = Ca + C 2 H 2 (t أكثر من 2200 درجة مئوية)
H 2 + BaH 2 = Ba(H 2) 2 (t إلى 0 درجة مئوية، محلول)

4. مشاركة الهيدروجين في تفاعلات الأكسدة والاختزال:

2H0 (Zn, dil.HCl) + KNO3 = KNO2 + H2O
8H0 (Al, conc. KOH)+KNO3 = NH3 +KOH+2H2O
2H 0 (Zn, dil. HCl) + EuCl 3 = 2EuCl 2 + 2HCl
2H 0 (Al)+NaOH(conc.)+Ag 2 S = 2Ag↓+H 2 O+NaHS
2H 0 (Zn, dil. H 2 SO 4) + C 2 N 2 = 2HCN

مركبات الهيدروجين

د2- الديديوتيريوم:

الهيدروجين الثقيل.
غاز عديم اللون، يصعب تسييله.
يوجد الديديوثيريوم في الهيدروجين الطبيعي بنسبة 0.012-0.016% (بالوزن).
في خليط الغاز من الديديوتيريوم والبروتيوم، يحدث تبادل النظائر عند درجات حرارة عالية.
قابل للذوبان قليلا في الماء العادي والثقيل.
مع الماء العادي، تبادل النظائر لا يكاد يذكر.
تشبه الخواص الكيميائية الهيدروجين الخفيف، لكن الديدوتريوم أقل تفاعلاً.
الوزن الجزيئي النسبي = 4.028
الكثافة النسبية للديدوتريوم السائل (t=-253°C) = 0.17
درجة حرارة الانصهار = -254.5 درجة مئوية
نقطة الغليان = -249.49 درجة مئوية

T 2 - الديتريتيوم:

الهيدروجين فائق الثقل.
غاز مشع عديم اللون.
عمر النصف 12.34 سنة.
يتشكل الديتريتيوم في الطبيعة نتيجة قصف 14 نواة نواة بالنيوترونات من الإشعاع الكوني، وقد تم العثور على آثار للديتريتيوم في المياه الطبيعية.
يتم إنتاج الديتريتيوم في مفاعل نووي عن طريق قصف الليثيوم بالنيوترونات البطيئة.
الوزن الجزيئي النسبي = 6.032
درجة حرارة الانصهار = -252.52 درجة مئوية
نقطة الغليان = -248.12 درجة مئوية

HD - هيدروجين الديوتيريوم:

غاز عديم اللون.
لا يذوب في الماء.
خصائص كيميائية مشابهة لـ H2.
الوزن الجزيئي النسبي = 3.022
الكثافة النسبية لهيدروجين الديوتيريوم الصلب (t=-257 درجة مئوية) = 0.146
الضغط الزائد (رقم) = 0.135 جم / لتر
درجة حرارة الانصهار = -256.5 درجة مئوية
نقطة الغليان = -251.02 درجة مئوية

أكاسيد الهيدروجين

ح 2 يا - الماء:

سائل عديم اللون.
وفقًا للتركيب النظائري للأكسجين، يتكون الماء من H 2 16 O مع شوائب H 2 18 O و H 2 17 O
وفقًا للتركيب النظائري للهيدروجين، يتكون الماء من 1 H 2 O مع خليط من HDO.
يخضع الماء السائل للتحلل البروتيني (H 3 O + و OH -):
- H3O+ (كاتيون الأكسونيوم) هو أقوى حمض في المحلول المائي؛
- OH - (أيون الهيدروكسيد) هو أقوى قاعدة في المحلول المائي؛
- الماء هو أضعف بروتوليت مترافق.
مع العديد من المواد، يشكل الماء هيدرات بلورية.
الماء مادة نشطة كيميائيا.
الماء هو مذيب سائل عالمي للمركبات غير العضوية.
الوزن الجزيئي النسبي للماء = 18.02
الكثافة النسبية للماء الصلب (الجليد) (t=0°C) = 0.917
الكثافة النسبية للماء السائل:
- (ر = 0 درجة مئوية) = 0.999841
- (ر = 20 درجة مئوية) = 0.998203
- (ر = 25 درجة مئوية) = 0.997044
- (ر = 50 درجة مئوية) = 0.97180
- (ر = 100 درجة مئوية) = 0.95835
الكثافة (ns) = 0.8652 جم / لتر
نقطة الانصهار = 0 درجة مئوية
نقطة الغليان = 100 درجة مئوية
المنتج الأيوني للماء (25 درجة مئوية) = 1.008·10 -14

1. التحلل الحراري للماء :
2H2O ↔ 2H2 +O2 (فوق 1000 درجة مئوية)

D2O - أكسيد الديوتيريوم:

الماء الثقيل.
سائل استرطابي عديم اللون.
اللزوجة أعلى من الماء.
يخلط مع الماء العادي بكميات غير محدودة.
وينتج عن التبادل النظائري ماء شبه ثقيل HDO.
قوة المذيبات أقل من قوة الماء العادي.
تشبه الخواص الكيميائية لأكسيد الديوتيريوم الخواص الكيميائية للماء، لكن جميع التفاعلات تتم بشكل أبطأ.
الماء الثقيل موجود في المياه الطبيعية (نسبة الكتلة إلى الماء العادي 1:5500).
يتم الحصول على أكسيد الديوتيريوم عن طريق التحليل الكهربائي المتكرر للمياه الطبيعية، حيث يتراكم الماء الثقيل في بقايا المنحل بالكهرباء.
الوزن الجزيئي النسبي للماء الثقيل = 20.03
الكثافة النسبية للماء الثقيل السائل (t=11.6°C) = 1.1071
الكثافة النسبية للماء الثقيل السائل (t=25°C) = 1.1042
درجة حرارة الانصهار = 3.813 درجة مئوية
نقطة الغليان = 101.43 درجة مئوية

T2O - أكسيد التريتيوم:

الماء الثقيل للغاية.
سائل عديم اللون.
اللزوجة أعلى وقوة الذوبان أقل من الماء العادي والثقيل.
يخلط مع الماء العادي والثقيل بكميات غير محدودة.
يؤدي تبادل النظائر مع الماء العادي والثقيل إلى تكوين HTO، DTO.
تشبه الخواص الكيميائية للمياه فائقة الثقل الخواص الكيميائية للماء، ولكن جميع التفاعلات تتم بشكل أبطأ من الماء الثقيل.
توجد آثار لأكسيد التريتيوم في المياه الطبيعية والجو.
يتم الحصول على الماء الثقيل للغاية عن طريق تمرير التريتيوم على أكسيد النحاس الساخن CuO.
الوزن الجزيئي النسبي للمياه فائقة الثقل = 22.03
نقطة الانصهار = 4.5 درجة مئوية

تم اكتشاف الهيدروجين في النصف الثاني من القرن الثامن عشر على يد العالم الإنجليزي في مجال الفيزياء والكيمياء ج. كافنديش. وتمكن من عزل المادة في حالتها النقية، وبدأ في دراستها ووصف خصائصها.

هذه هي قصة اكتشاف الهيدروجين. وتوصل الباحث خلال التجارب إلى أنه غاز قابل للاشتعال، يؤدي احتراقه في الهواء إلى إنتاج الماء. هذا أدى إلى تحديد التركيب النوعي للمياه.

ما هو الهيدروجين

أعلن الكيميائي الفرنسي أ. لافوازييه لأول مرة عن الهيدروجين كمادة بسيطة في عام 1784، لأنه قرر أن جزيئه يحتوي على ذرات من نفس النوع.

اسم العنصر الكيميائي في اللاتينية يبدو مثل الهيدروجين (اقرأ "الهيدروجين")، وهو ما يعني "مانح الماء". يشير الاسم إلى تفاعل الاحتراق الذي ينتج الماء.

خصائص الهيدروجين

تعيين الهيدروجين N. قام مندليف بتعيين الرقم الذري الأول لهذا العنصر الكيميائي، ووضعه في المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الأولى والفترة الأولى وبشكل مشروط في المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة السابعة.

الوزن الذري (الكتلة الذرية) للهيدروجين هو 1.00797. الوزن الجزيئي لـ H2 هو 2 أ. هـ - الكتلة المولية تساويها عددياً.

ويمثله ثلاثة نظائر لها اسم خاص: البروتيوم الأكثر شيوعًا (H)، الديوتيريوم الثقيل (D)، التريتيوم المشع (T).

وهو العنصر الأول الذي يمكن فصله بالكامل إلى نظائر بطريقة بسيطة. لأنه يقوم على الفرق الكبير في كتلة النظائر. تم تنفيذ هذه العملية لأول مرة في عام 1933. ويفسر ذلك حقيقة أنه في عام 1932 فقط تم اكتشاف نظير ذو كتلة 2.

الخصائص الفيزيائية

في الظروف العادية، تكون مادة الهيدروجين البسيطة على شكل جزيئات ثنائية الذرة غازًا، عديم اللون والطعم والرائحة. قابل للذوبان قليلا في الماء والمذيبات الأخرى.

درجة حرارة التبلور - 259.2 درجة مئوية، نقطة الغليان - 252.8 درجة مئوية.قطر جزيئات الهيدروجين صغير جدًا لدرجة أن لديها القدرة على الانتشار ببطء عبر عدد من المواد (المطاط والزجاج والمعادن). تستخدم هذه الخاصية عندما يكون من الضروري تنقية الهيدروجين من الشوائب الغازية. عندما ن. ش. كثافة الهيدروجين 0.09 كجم/م3.

هل يمكن تحويل الهيدروجين إلى معدن قياسا على العناصر الموجودة في المجموعة الأولى؟ لقد وجد العلماء أن الهيدروجين في الظروف التي يقترب فيها الضغط من 2 مليون ضغط جوي، يبدأ في امتصاص الأشعة تحت الحمراء، مما يدل على استقطاب جزيئات المادة. وربما، عند ضغوط أعلى، يتحول الهيدروجين إلى معدن.

هذا مثير للاهتمام:هناك افتراض بأن الهيدروجين موجود على الكواكب العملاقة، المشتري وزحل، على شكل معدن. ومن المفترض أن الهيدروجين المعدني الصلب موجود أيضًا في باطن الأرض، وذلك بسبب الضغط العالي جدًا الناتج عن وشاح الأرض.

الخواص الكيميائية

تدخل كل من المواد البسيطة والمعقدة في تفاعل كيميائي مع الهيدروجين. لكن النشاط المنخفض للهيدروجين يحتاج إلى زيادة عن طريق تهيئة الظروف المناسبة - زيادة درجة الحرارة، واستخدام المواد الحفازة، وما إلى ذلك.

عند تسخينها، تتفاعل المواد البسيطة مثل الأكسجين (O2)، والكلور (Cl2)، والنيتروجين (N2)، والكبريت (S) مع الهيدروجين.

إذا قمت بإشعال الهيدروجين النقي في نهاية أنبوب مخرج الغاز في الهواء، فسوف يحترق بالتساوي، ولكن بالكاد يمكن ملاحظته. إذا قمت بوضع أنبوب مخرج الغاز في جو من الأكسجين النقي، فسوف يستمر الاحتراق مع تكوين قطرات الماء على جدران الوعاء، نتيجة للتفاعل:

ويصاحب احتراق الماء إطلاق كمية كبيرة من الحرارة. وهو تفاعل مركب طارد للحرارة حيث يتأكسد الهيدروجين بواسطة الأكسجين لتكوين أكسيد H2O. وهو أيضًا تفاعل أكسدة واختزال حيث يتأكسد الهيدروجين ويختزل الأكسجين.

يحدث التفاعل مع Cl 2 بشكل مشابه لتكوين كلوريد الهيدروجين.

ويتطلب تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين درجة حرارة عالية وضغطا عاليا، فضلا عن وجود عامل محفز. والنتيجة هي الأمونيا.

نتيجة للتفاعل مع الكبريت، يتم تشكيل كبريتيد الهيدروجين، مما يسهل التعرف عليه من خلال الرائحة المميزة للبيض الفاسد.

حالة أكسدة الهيدروجين في هذه التفاعلات هي +1، وفي الهيدريدات الموصوفة أدناه - 1.

عند التفاعل مع بعض المعادن، يتم تشكيل هيدريدات، على سبيل المثال، هيدريد الصوديوم - NaH. وتستخدم بعض هذه المركبات المعقدة كوقود للصواريخ، وكذلك في الطاقة النووية الحرارية.

يتفاعل الهيدروجين أيضًا مع مواد من الفئة المعقدة. على سبيل المثال، مع أكسيد النحاس (II)، الصيغة CuO. لإجراء التفاعل، يتم تمرير هيدروجين النحاس فوق مسحوق أكسيد النحاس (II) الساخن. أثناء التفاعل، يتغير لون الكاشف ويصبح بنيًا محمرًا، وتستقر قطرات الماء على الجدران الباردة لأنبوب الاختبار.

يتأكسد الهيدروجين أثناء التفاعل مكونًا الماء، ويتم اختزال النحاس من أكسيد إلى مادة بسيطة (Cu).

مجالات الاستخدام

للهيدروجين أهمية كبيرة للإنسان ويستخدم في مجالات متعددة:

في الإنتاج الكيميائي، يتم استخدام المواد الخام، وفي الصناعات الأخرى يتم استخدام الوقود. لا تستطيع شركات البتروكيماويات وتكرير النفط الاستغناء عن الهيدروجين.
وفي صناعة الطاقة الكهربائية، تعمل هذه المادة البسيطة كعامل تبريد.
في المعادن الحديدية وغير الحديدية، يلعب الهيدروجين دور عامل الاختزال.
وهذا يساعد على خلق بيئة خاملة عند تعبئة المنتجات.
صناعة الأدوية - يستخدم الهيدروجين ككاشف في إنتاج بيروكسيد الهيدروجين.
تمتلئ بالونات الطقس بهذا الغاز الخفيف.
يُعرف هذا العنصر أيضًا باسم مخفض الوقود لمحركات الصواريخ.

ويتوقع العلماء بالإجماع أن يحتل وقود الهيدروجين الصدارة في قطاع الطاقة.

الاستلام في الصناعة

وفي الصناعة، يتم إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي، الذي يتعرض لكلوريدات أو هيدروكسيدات الفلزات القلوية الذائبة في الماء. ومن الممكن أيضًا الحصول على الهيدروجين مباشرة من الماء باستخدام هذه الطريقة.

ويستخدم تحويل فحم الكوك أو الميثان مع بخار الماء لهذه الأغراض. كما يؤدي تحلل الميثان عند درجات حرارة مرتفعة إلى إنتاج الهيدروجين. يتم أيضًا استخدام تسييل غاز فرن فحم الكوك بالطريقة الكسرية في الإنتاج الصناعي للهيدروجين.

تم الحصول عليها في المختبر

في المختبر، يتم استخدام جهاز كيب لإنتاج الهيدروجين.

الكواشف هي حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك والزنك. التفاعل ينتج الهيدروجين.

العثور على الهيدروجين في الطبيعة

الهيدروجين أكثر شيوعًا من أي عنصر آخر في الكون. الجزء الأكبر من النجوم، بما في ذلك الشمس، والأجسام الكونية الأخرى هو الهيدروجين.

وفي القشرة الأرضية تبلغ نسبته 0.15% فقط. وهو موجود في العديد من المعادن، وفي جميع المواد العضوية، وكذلك في الماء الذي يغطي 3/4 من سطح كوكبنا.

يمكن العثور على آثار للهيدروجين النقي في الغلاف الجوي العلوي. ويوجد أيضًا في عدد من الغازات الطبيعية القابلة للاشتعال.

الهيدروجين الغازي هو الأقل كثافة، والهيدروجين السائل هو المادة الأكثر كثافة على كوكبنا. بمساعدة الهيدروجين، يمكنك تغيير نغمة صوتك إذا استنشقته وتحدثت أثناء الزفير.

تعتمد أقوى قنبلة هيدروجينية على تقسيم أخف ذرة.

سائل

هيدروجين(خط العرض. هيدروجينيوم; يشار إليه بالرمز ح) هو العنصر الأول في الجدول الدوري للعناصر. منتشرة على نطاق واسع في الطبيعة. الكاتيون (ونواة) النظير الأكثر شيوعًا للهيدروجين، 1H، هو البروتون. خصائص النواة 1H تجعل من الممكن استخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي على نطاق واسع في تحليل المواد العضوية.

ثلاثة نظائر للهيدروجين لها أسماء خاصة بها: 1 H - البروتيوم (H)، 2 H - الديوتيريوم (D) و 3 H - التريتيوم (المشع) (T).

إن مادة الهيدروجين البسيطة - H 2 - هي غاز خفيف عديم اللون. عند مزجه مع الهواء أو الأكسجين، فهو قابل للاشتعال والانفجار. غير سامة. قابل للذوبان في الإيثانول وعدد من المعادن: الحديد والنيكل والبلاديوم والبلاتين.

قصة

لوحظ إطلاق الغازات القابلة للاشتعال أثناء تفاعل الأحماض والمعادن في القرنين السادس عشر والسابع عشر، عند فجر تكوين الكيمياء كعلم. وأشار ميخائيل فاسيليفيتش لومونوسوف أيضًا بشكل مباشر إلى عزلته، لكنه كان يدرك بالتأكيد أنه ليس فلوجيستون. قام الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي هنري كافنديش بفحص هذا الغاز عام 1766 وأطلق عليه اسم "الهواء القابل للاشتعال". عند حرقه، ينتج "الهواء القابل للاشتعال" الماء، لكن التزام كافنديش بنظرية الفلوجستون منعه من استخلاص الاستنتاجات الصحيحة. قام الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه، مع المهندس ج. مونييه، باستخدام مقاييس الغاز الخاصة، في عام 1783 بتركيب الماء، ثم تحليله، وتحلل بخار الماء بالحديد الساخن. وبذلك أثبت أن "الهواء القابل للاشتعال" جزء من الماء ويمكن الحصول عليه منه.

أصل الاسم

أطلق لافوازييه على الهيدروجين اسم هيدروجين، أي "ولادة الماء". اقترح الكيميائي إم إف سولوفييف الاسم الروسي "الهيدروجين" في عام 1824 - قياسًا على "الأكسجين" لسلومونوسوف.

انتشار

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون. وهو يمثل حوالي 92% من جميع الذرات (8% ذرات هيليوم، وحصة جميع العناصر الأخرى مجتمعة أقل من 0.1%). وبالتالي فإن الهيدروجين هو المكون الرئيسي للنجوم والغاز بين النجوم. في ظل ظروف درجات الحرارة النجمية (على سبيل المثال، درجة حرارة سطح الشمس ~ 6000 درجة مئوية)، يوجد الهيدروجين في شكل بلازما؛ في الفضاء بين النجوم، يوجد هذا العنصر في شكل جزيئات فردية وذرات وأيونات ويمكن أن يتشكل السحب الجزيئية التي تختلف بشكل كبير في الحجم والكثافة ودرجة الحرارة.

القشرة الأرضية والكائنات الحية

تبلغ نسبة كتلة الهيدروجين في القشرة الأرضية 1%، وهو العنصر العاشر الأكثر وفرة. ومع ذلك، فإن دورها في الطبيعة لا يتحدد بالكتلة، بل بعدد الذرات التي تبلغ حصتها بين العناصر الأخرى 17٪ (المركز الثاني بعد الأكسجين الذي تبلغ حصة الذرات فيه ~ 52٪). ولذلك فإن أهمية الهيدروجين في العمليات الكيميائية التي تحدث على الأرض تكاد تكون كبيرة مثل أهمية الأكسجين. على عكس الأكسجين، الموجود على الأرض في كل من الحالات المقيدة والحرة، فإن كل الهيدروجين الموجود على الأرض تقريبًا موجود في شكل مركبات؛ يوجد فقط كمية صغيرة جدًا من الهيدروجين على شكل مادة بسيطة في الغلاف الجوي (0.00005% من حيث الحجم).

الهيدروجين جزء من جميع المواد العضوية تقريبًا وهو موجود في جميع الخلايا الحية. في الخلايا الحية، يمثل الهيدروجين ما يقرب من 50٪ من عدد الذرات.

إيصال

تعتمد الطرق الصناعية لإنتاج المواد البسيطة على الشكل الذي يوجد به العنصر المقابل في الطبيعة، أي ما يمكن أن يكون المادة الخام لإنتاجه. وبالتالي، يتم الحصول على الأكسجين، الذي يتوفر في حالة حرة، جسديا - عن طريق الانفصال عن الهواء السائل. يوجد الهيدروجين تقريبًا على شكل مركبات، لذلك يتم استخدام الطرق الكيميائية للحصول عليه. على وجه الخصوص، يمكن استخدام تفاعلات التحلل. إحدى طرق إنتاج الهيدروجين هي من خلال تحلل الماء بواسطة التيار الكهربائي.

الطريقة الصناعية الرئيسية لإنتاج الهيدروجين هي تفاعل الميثان، وهو جزء من الغاز الطبيعي، مع الماء. يتم إجراؤه عند درجة حرارة عالية (من السهل التحقق من أنه عند تمرير الميثان حتى من خلال الماء المغلي، لا يحدث أي تفاعل):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 كيلوجول

في المختبر، للحصول على مواد بسيطة، لا يستخدمون بالضرورة مواد خام طبيعية، ولكن يختارون تلك المواد الأولية التي يسهل عزل المادة المطلوبة منها. على سبيل المثال، في المختبر، لا يتم الحصول على الأكسجين من الهواء. الأمر نفسه ينطبق على إنتاج الهيدروجين. ومن الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين، والتي تستخدم أحياناً في الصناعة، تحلل الماء بالتيار الكهربائي.

عادة، يتم إنتاج الهيدروجين في المختبر عن طريق تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك.

في الصناعة

1. التحليل الكهربائي للمحاليل الملحية المائية :

2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + Cl2

2. تمرير بخار الماء فوق فحم الكوك الساخن عند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية:

ماء2أو+ج؟ H2+CO

3. من الغاز الطبيعي.

تحويل البخار:

CH4 + H2O ؟ ثاني أكسيد الكربون + 3H2 (1000 درجة مئوية)

الأكسدة الحفزية بالأكسجين:

2CH 4 + يا 2؟ 2CO + 4H2

4. تكسير وإعادة تشكيل الهيدروكربونات أثناء تكرير النفط.

في المختبر

1.تأثير الأحماض المخففة على المعادن.لتنفيذ هذا التفاعل، غالبًا ما يستخدم الزنك وحمض الهيدروكلوريك المخفف:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.تفاعل الكالسيوم مع الماء:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.التحلل المائي للهيدريدات:

ناه + ح 2 يا → هيدروكسيد الصوديوم + ح 2

4.تأثير القلويات على الزنك أو الألومنيوم:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.باستخدام التحليل الكهربائي.أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للقلويات أو الأحماض، يتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود، على سبيل المثال:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

الخصائص الفيزيائية

يمكن أن يوجد الهيدروجين في شكلين (تعديلات) - في شكل أورثو وشبه الهيدروجين. في جزيء أورثوهيدروجين س-H 2 (mp −259.10 °C, bp −252.56 °C) يتم توجيه السبينات النووية بشكل مماثل (موازي)، وبالنسبة لبارهيدروجين ص-H 2 (نقطة الانصهار -259.32 درجة مئوية، نقطة الغليان -252.89 درجة مئوية) - متقابلان لبعضهما البعض (مضادان للتوازي). خليط التوازن س- ح 2 و ص-H2 عند درجة حرارة معينة تسمى الهيدروجين المتوازن ه-H2.

يمكن فصل تعديلات الهيدروجين عن طريق الامتزاز على الكربون النشط عند درجة حرارة النيتروجين السائل. عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يتحول التوازن بين أورثوهيدروجين وباراهيدروجين بالكامل تقريبًا نحو الأخير. عند 80 K تكون نسبة النماذج حوالي 1:1. عند تسخينه، يتحول باراهيدروجين الممتص إلى أورثوهيدروجين حتى يتكون خليط متوازن في درجة حرارة الغرفة (أورثو بارا: 75:25). بدون محفز، يحدث التحول ببطء (في ظل ظروف الوسط بين النجوم - مع أوقات مميزة تصل إلى الكونية)، مما يجعل من الممكن دراسة خصائص التعديلات الفردية.

الهيدروجين هو أخف الغازات، فهو أخف بمقدار 14.5 مرة من الهواء. ومن الواضح أنه كلما كانت كتلة الجزيئات أصغر، زادت سرعتها عند نفس درجة الحرارة. باعتبارها أخف الجزيئات، تتحرك جزيئات الهيدروجين بشكل أسرع من جزيئات أي غاز آخر، وبالتالي يمكنها نقل الحرارة من جسم إلى آخر بشكل أسرع. ويترتب على ذلك أن الهيدروجين لديه أعلى الموصلية الحرارية بين المواد الغازية. الموصلية الحرارية لها أعلى بحوالي سبعة أضعاف من الموصلية الحرارية للهواء.

جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - H2. في الظروف العادية، فهو غاز عديم اللون والرائحة والطعم. الكثافة 0.08987 جم/لتر، نقطة الغليان -252.76 درجة مئوية، حرارة الاحتراق النوعية 120.9×106 جول/كجم، قابل للذوبان قليلاً في الماء - 18.8 مل/لتر. الهيدروجين قابل للذوبان بدرجة عالية في العديد من المعادن (Ni، Pt، Pd، إلخ)، وخاصة في البلاديوم (850 مجلدًا لكل حجم واحد من Pd). ترتبط قابلية ذوبان الهيدروجين في المعادن بقدرته على الانتشار من خلالها؛ في بعض الأحيان يكون الانتشار عبر سبيكة الكربون (على سبيل المثال، الفولاذ) مصحوبًا بتدمير السبيكة بسبب تفاعل الهيدروجين مع الكربون (ما يسمى بإزالة الكربون). غير قابلة للذوبان عمليا في الفضة.

الهيدروجين السائليوجد في نطاق درجة حرارة ضيق للغاية من -252.76 إلى -259.2 درجة مئوية. وهو سائل عديم اللون، خفيف جدًا (الكثافة عند -253 درجة مئوية، 0.0708 جم/سم3) وسائل (اللزوجة عند -253 درجة مئوية، 13.8 سبواز). المعلمات الحرجة للهيدروجين منخفضة جدًا: درجة الحرارة -240.2 درجة مئوية والضغط 12.8 ضغط جوي. وهذا ما يفسر الصعوبات في تسييل الهيدروجين. في الحالة السائلة، يتكون الهيدروجين المتوازن من 99.79% بارا-H2، و0.21% أورثو-H2.

الهيدروجين الصلب، نقطة الانصهار -259.2 درجة مئوية، الكثافة 0.0807 جم / سم 3 (عند -262 درجة مئوية) - كتلة تشبه الثلج، بلورات سداسية، المجموعة الفضائية P6 / mmc، معلمات الخلية أ=3,75 ج=6.12. عند الضغط العالي، يتحول الهيدروجين إلى حالة معدنية.

النظائر

يتواجد الهيدروجين على شكل ثلاثة نظائر لها أسماء فردية: 1 H - بروتيوم (H)، 2 H - الديوتيريوم (D)، 3 H - التريتيوم (المشع) (T).

البروتيوم والديوتيريوم نظائر مستقرة ذات أعداد كتلة 1 و 2. محتواها في الطبيعة هو 99.9885 ± 0.0070٪ و 0.0115 ± 0.0070٪ على التوالي. وقد تختلف هذه النسبة قليلاً حسب مصدر وطريقة إنتاج الهيدروجين.

نظير الهيدروجين 3H (التريتيوم) غير مستقر. عمر النصف هو 12.32 سنة. يوجد التريتيوم بشكل طبيعي بكميات صغيرة جدًا.

توفر الأدبيات أيضًا بيانات عن نظائر الهيدروجين ذات الأعداد الكتلية 4 - 7 وعمر النصف 10 -22 - 10 -23 ثانية.

يتكون الهيدروجين الطبيعي من جزيئات H2 وHD (هيدروجين الديوتيريوم) بنسبة 3200:1. محتوى هيدروجين الديوتيريوم النقي D 2 أقل. تبلغ نسبة تركيزات HD وD2 حوالي 6400:1.

من بين جميع نظائر العناصر الكيميائية، تختلف الخواص الفيزيائية والكيميائية لنظائر الهيدروجين عن بعضها البعض أكثر من غيرها. ويرجع ذلك إلى أكبر تغير نسبي في الكتل الذرية.

درجة حرارة ذوبان, ك	درجة حرارة الغليان, ك	ثلاثية نقطة، ك / كيلو باسكال	شديد الأهمية نقطة، ك / كيلو باسكال	كثافة الغاز السائل، كجم/م3

يحتوي الديوتيريوم والتريتيوم أيضًا على تعديلات تقويمية وشبه: ص-د 2، س-د 2، ص-ت 2، س-ت 2 . لا يحتوي الهيدروجين المتغاير النظائر (HD، HT، DT) على تعديلات أورثو وشبه.

الخواص الكيميائية

جزء من جزيئات الهيدروجين المنفصلة

جزيئات الهيدروجين H2 قوية جدًا، ولكي يتفاعل الهيدروجين، يجب إنفاق الكثير من الطاقة:

ح 2 = 2 ح − 432 كيلوجول

لذلك، في درجات الحرارة العادية، يتفاعل الهيدروجين فقط مع معادن نشطة جدًا، مثل الكالسيوم، مكونًا هيدريد الكالسيوم:

كا + ح 2 = كاه 2

ومع اللافلز الوحيد - الفلور، الذي يشكل فلوريد الهيدروجين:

يتفاعل الهيدروجين مع معظم المعادن واللافلزات عند درجات حرارة مرتفعة أو تحت تأثيرات أخرى، على سبيل المثال، الإضاءة:

يا 2 + 2 ح 2 = 2 ح 2 يا

يمكنه "نزع" الأكسجين من بعض الأكاسيد، على سبيل المثال:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

تعكس المعادلة المكتوبة خصائص الاختزال للهيدروجين.

ن 2 + 3 ح 2 → 2 ن ح 3

يشكل هاليدات الهيدروجين مع الهالوجينات:

F 2 + H 2 → 2HF، يحدث التفاعل بشكل انفجاري في الظلام وفي أي درجة حرارة،

Cl 2 + H 2 → 2HCl، يستمر التفاعل بشكل متفجر، فقط في الضوء.

يتفاعل مع السخام تحت حرارة عالية:

ج + 2 ح 2 → CH 4

التفاعل مع الفلزات القلوية والقلوية الأرضية

عند التفاعل مع المعادن النشطة، يشكل الهيدروجين الهيدريدات:

2Na + H 2 → 2NaH

كا + ح 2 → كاه 2

ملغم + ح 2 → ملغم ه 2

هيدريدات- مواد صلبة شبيهة بالأملاح، سهلة التحلل المائي:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

التفاعل مع أكاسيد المعادن (عادةً عناصر d)

يتم تقليل الأكاسيد إلى المعادن:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

هدرجة المركبات العضوية

يستخدم الهيدروجين الجزيئي على نطاق واسع في التخليق العضوي لتقليل المركبات العضوية. وتسمى هذه العمليات تفاعلات الهدرجة. يتم تنفيذ هذه التفاعلات في وجود محفز عند ضغط ودرجة حرارة مرتفعين. يمكن أن يكون المحفز إما متجانسًا (مثل محفز ويلكنسون) أو غير متجانس (مثل نيكل راني والبلاديوم على الكربون).

وهكذا، على وجه الخصوص، أثناء الهدرجة الحفزية للمركبات غير المشبعة مثل الألكينات والألكينات، يتم تشكيل مركبات مشبعة - الألكانات.

جيوكيمياء الهيدروجين

يعتبر الهيدروجين الحر H2 نادرًا نسبيًا في الغازات الأرضية، ولكنه في شكل ماء يلعب دورًا مهمًا للغاية في العمليات الجيوكيميائية.

يمكن أن يتواجد الهيدروجين في المعادن على شكل أيون الأمونيوم، وأيون الهيدروكسيل، وماء بلوري.

وفي الغلاف الجوي، يتم إنتاج الهيدروجين بشكل مستمر نتيجة تحلل الماء بواسطة الإشعاع الشمسي. نظرًا لكون جزيئات الهيدروجين ذات كتلة منخفضة، فإنها تتمتع بسرعة حركة انتشار عالية (وهي قريبة من السرعة الكونية الثانية)، وعندما تدخل الطبقات العليا من الغلاف الجوي، يمكنها الطيران إلى الفضاء الخارجي.

ميزات العلاج

يشكل الهيدروجين عند مزجه بالهواء خليطًا متفجرًا - ما يسمى بالغاز المتفجر. يكون هذا الغاز أكثر انفجارًا عندما تكون نسبة حجم الهيدروجين والأكسجين 2:1، أو الهيدروجين والهواء تقريبًا 2:5، لأن الهواء يحتوي على حوالي 21% أكسجين. الهيدروجين هو أيضا خطر الحريق. يمكن أن يسبب الهيدروجين السائل قضمة صقيع شديدة إذا لامس الجلد.

تحدث التركيزات المتفجرة للهيدروجين والأكسجين من 4٪ إلى 96٪ من حيث الحجم. عند مزجه بالهواء من 4% إلى 75(74)% من حيث الحجم.

اقتصاد

وتتراوح تكلفة الهيدروجين لإمدادات الجملة الكبيرة من 2 إلى 5 دولارات للكيلوغرام الواحد.

طلب

يستخدم الهيدروجين الذري في لحام الهيدروجين الذري.

الصناعة الكيميائية

في إنتاج الأمونيا والميثانول والصابون والبلاستيك
في إنتاج السمن النباتي من الزيوت النباتية السائلة
مسجل كمكمل غذائي E949(تعبئة الغاز)

الصناعات الغذائية

صناعة الطيران

الهيدروجين خفيف جدًا ويرتفع دائمًا في الهواء. ذات مرة، كانت المناطيد والبالونات مملوءة بالهيدروجين. لكن في الثلاثينيات. القرن العشرين ووقعت عدة كوارث انفجرت خلالها المناطيد واحترقت. في الوقت الحاضر، تمتلئ المناطيد بالهيليوم، على الرغم من تكلفته المرتفعة بشكل كبير.

وقود

ويستخدم الهيدروجين كوقود للصواريخ.

تجري الأبحاث حاليًا حول استخدام الهيدروجين كوقود للسيارات والشاحنات. محركات الهيدروجين لا تلوث البيئة وتنبعث منها بخار الماء فقط.

تستخدم خلايا وقود الهيدروجين والأكسجين الهيدروجين لتحويل طاقة التفاعل الكيميائي مباشرة إلى طاقة كهربائية.

"الهيدروجين السائل"(“LH”) هي الحالة السائلة للهيدروجين، مع كثافة نوعية منخفضة تبلغ 0.07 جم / سم مكعب وخصائص مبردة مع نقطة تجمد تبلغ 14.01 كلفن (−259.14 درجة مئوية) ونقطة غليان تبلغ 20.28 كلفن (−252.87 درجة مئوية) ). وهو سائل عديم اللون والرائحة، والذي عند مزجه بالهواء يصنف على أنه مادة متفجرة مع مدى قابلية للاشتعال تتراوح بين 4-75٪. نسبة دوران الأيزومرات في الهيدروجين السائل هي: 99.79% - باراهيدروجين؛ 0.21% - أورثوهيدروجين. معامل التمدد للهيدروجين عند تغيير حالة التجميع إلى الحالة الغازية هو 848:1 عند 20 درجة مئوية.

كما هو الحال مع أي غاز آخر، يؤدي تسييل الهيدروجين إلى انخفاض حجمه. بعد التسييل، يتم تخزين السائل السائل في حاويات معزولة حراريا تحت الضغط. الهيدروجين السائل الهيدروجين السائل, LH2, إل إتش 2) يستخدم بنشاط في الصناعة، كشكل من أشكال تخزين الغاز، وفي صناعة الفضاء، كوقود الصواريخ.

قصة

أول استخدام موثق للتبريد الاصطناعي تم على يد العالم الإنجليزي ويليام كولين عام 1756، وكان غاسبارد مونج أول من حصل على الحالة السائلة لأكسيد الكبريت عام 1784، وكان مايكل فاراداي أول من حصل على الأمونيا المسالة، والمخترع الأمريكي أوليفر إيفانز كان أول من طور ضاغط التبريد في عام 1805، وكان جاكوب بيركنز أول من حصل على براءة اختراع لآلة التبريد في عام 1834، وكان جون جوري أول من حصل على براءة اختراع لمكيف الهواء في الولايات المتحدة في عام 1851. اقترح فيرنر سيمنز مفهوم التبريد المتجدد في عام 1857، وحصل كارل ليندي على براءة اختراع لمعدات لإنتاج الهواء السائل باستخدام سلسلة "تأثير توسع جول طومسون" والتبريد المتجدد في عام 1876. في عام 1885، نشر الفيزيائي والكيميائي البولندي زيجمونت فروبلوفسكي درجة الحرارة الحرجة للهيدروجين 33 كلفن، والضغط الحرج 13.3 ضغط جوي. ونقطة الغليان عند 23 كلفن. تم تسييل الهيدروجين لأول مرة بواسطة جيمس ديوار في عام 1898 باستخدام التبريد المتجدد واختراعه، قارورة ديوار. تم إجراء أول تخليق لأيزومر مستقر للهيدروجين السائل، باراهيدروجين، بواسطة بول هارتيك وكارل بونهوفر في عام 1929.

تدور ايزومرات الهيدروجين

يتكون الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة بشكل أساسي من أيزومر مغزلي، وهو الهيدروجين الأورثوهيدروجين. بعد الإنتاج، يكون الهيدروجين السائل في حالة شبه مستقرة ويجب تحويله إلى شكل باراهيدروجين لتجنب التفاعل الطارد للحرارة المتفجر الذي يحدث عندما يتغير عند درجات حرارة منخفضة. عادةً ما يتم التحويل إلى مرحلة باراهيدروجين باستخدام محفزات مثل أكسيد الحديد، وأكسيد الكروم، والكربون المنشط، والأسبستوس المطلي بالبلاتين، والمعادن الأرضية النادرة، أو من خلال استخدام إضافات اليورانيوم أو النيكل.

الاستخدام

يمكن استخدام الهيدروجين السائل كشكل من أشكال تخزين الوقود لمحركات الاحتراق الداخلي وخلايا الوقود. تم إنشاء غواصات مختلفة (مشروع "212A" و"214"، ألمانيا) ومفاهيم نقل الهيدروجين باستخدام هذا الشكل الكلي من الهيدروجين (انظر على سبيل المثال "DeepC" أو "BMW H2R"). نظرًا لقرب التصميمات، يمكن لمنشئي معدات LHV استخدام الأنظمة التي تستخدم الغاز الطبيعي المسال (LNG) أو تعديلها فقط. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض كثافة الطاقة الحجمية، يتطلب الاحتراق كمية أكبر من الهيدروجين مقارنة بالغاز الطبيعي. إذا تم استخدام الهيدروجين السائل بدلاً من الغاز الطبيعي المضغوط في المحركات المكبسية، فعادةً ما تكون هناك حاجة إلى نظام وقود أكبر حجمًا. مع الحقن المباشر، تؤدي زيادة الخسائر في قناة السحب إلى تقليل امتلاء الأسطوانة.

يستخدم الهيدروجين السائل أيضًا لتبريد النيوترونات في تجارب تشتت النيوترونات. كتل النيوترون ونواة الهيدروجين متساوية تقريبًا، لذا فإن تبادل الطاقة أثناء التصادم المرن يكون أكثر فاعلية.

مزايا

ميزة استخدام الهيدروجين هي "الانبعاثات الصفرية" الناتجة عن استخدامه. ناتج تفاعله مع الهواء هو الماء.

عوائق

يزن لتر واحد من "ZhV" 0.07 كجم فقط. أي أن جاذبيته النوعية تبلغ 70.99 جم/لتر عند 20 كلفن. ويتطلب الهيدروجين السائل تقنية التخزين المبرد، مثل الحاويات الخاصة المعزولة حراريًا ويتطلب معالجة خاصة، وهو أمر نموذجي لجميع المواد المبردة. وهو قريب في هذا الصدد من الأكسجين السائل، ولكنه يتطلب المزيد من الحذر بسبب خطر الحريق. حتى مع الحاويات المعزولة، من الصعب الاحتفاظ بها عند درجات الحرارة المنخفضة المطلوبة للحفاظ على سائلها (عادةً ما يتبخر بمعدل 1٪ يوميًا). عند التعامل معه، تحتاج أيضًا إلى اتباع احتياطات السلامة المعتادة عند العمل مع الهيدروجين - فهو بارد بدرجة كافية لتسييل الهواء، وهو متفجر.

وقود الصواريخ

الهيدروجين السائل هو أحد المكونات الشائعة لوقود الصواريخ، والذي يستخدم لدفع مركبات الإطلاق والمركبات الفضائية. في معظم محركات الصواريخ الهيدروجينية السائلة، يتم استخدامه أولاً لتبريد الفوهة وأجزاء المحرك الأخرى بشكل متجدد قبل مزجه مع عامل مؤكسد وحرقه لإنتاج قوة الدفع. تستهلك المحركات الحديثة التي تستخدم مكونات H 2 /O 2 خليط وقود غني بالهيدروجين، مما يؤدي إلى وجود كمية معينة من الهيدروجين غير المحترق في العادم. بالإضافة إلى زيادة الدفع النوعي للمحرك عن طريق تقليل الوزن الجزيئي، فإن هذا يقلل أيضًا من تآكل الفوهة وغرفة الاحتراق.

مثل هذه العوائق التي تحول دون استخدام LH في مجالات أخرى، مثل الطبيعة المبردة والكثافة المنخفضة، هي أيضًا عامل مقيد للاستخدام في هذه الحالة. اعتبارًا من عام 2009، هناك مركبة إطلاق واحدة فقط (مركبة الإطلاق دلتا-4)، وهي عبارة عن صاروخ هيدروجيني بالكامل. بشكل أساسي، يتم استخدام "ZhV" إما في المراحل العليا للصواريخ أو على الكتل التي تؤدي جزءًا كبيرًا من عمل إطلاق الحمولة إلى الفضاء في الفراغ. وكأحد الإجراءات لزيادة كثافة هذا النوع من الوقود، هناك مقترحات لاستخدام الهيدروجين الشبيه بالحمأة، أي شكل شبه متجمد من "الهيدروجين السائل".