L'hydrogène H est un élément chimique, l'un des plus répandus dans notre Univers. La masse d'hydrogène en tant qu'élément entrant dans la composition des substances représente 75% de la teneur totale en atomes d'un autre type. Il est inclus dans la connexion la plus importante et la plus vitale de la planète - l'eau. Une caractéristique distinctive de l'hydrogène est également qu'il est le premier élément du système périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleïev.
Découverte et exploration
Les premières références à l'hydrogène dans les écrits de Paracelse remontent au XVIe siècle. Mais son isolation du mélange gazeux de l'air et l'étude des propriétés combustibles ont déjà été faites au XVIIe siècle par le savant Lemery. L'hydrogène a été étudié en profondeur par le chimiste, physicien et naturaliste anglais Henry Cavendish, qui a prouvé expérimentalement que la masse d'hydrogène est la plus petite par rapport aux autres gaz. Dans les étapes ultérieures du développement de la science, de nombreux scientifiques ont travaillé avec lui, en particulier Lavoisier, qui l'a appelé "l'enfantement de l'eau".
Caractéristique selon la position dans le PSHE
Élément qui s'ouvretableau périodique de D. I. Mendeleev, est l'hydrogène. Les propriétés physiques et chimiques de l'atome présentent une certaine dualité, puisque l'hydrogène est simultanément affecté au premier groupe, le sous-groupe principal, s'il se comporte comme un métal et cède un seul électron au cours d'une réaction chimique, et au septième - dans le cas d'un remplissage complet de la coquille de valence, c'est-à-dire d'une particule négative de réception, qui la caractérise comme similaire aux halogènes.
Caractéristiques de la structure électronique de l'élément
Les propriétés de l'atome d'hydrogène, des substances complexes dont il fait partie et de la substance la plus simple H2 sont principalement déterminées par la configuration électronique de l'hydrogène. La particule a un électron avec Z=(-1), qui tourne sur son orbite autour du noyau, contenant un proton avec une unité de masse et une charge positive (+1). Sa configuration électronique s'écrit 1s1, ce qui signifie la présence d'une particule négative dans la toute première et unique s-orbitale pour l'hydrogène.
Lorsqu'un électron est détaché ou donné, et qu'un atome de cet élément a une propriété telle qu'il est lié aux métaux, un cation est obtenu. En fait, l'ion hydrogène est une particule élémentaire positive. Par conséquent, un hydrogène dépourvu d'électron est simplement appelé un proton.
Propriétés physiques
Si nous décrivons brièvement les propriétés physiques de l'hydrogène, alors c'est un gaz incolore et légèrement soluble avec une masse atomique relative égale à 2, 14,5 fois plus léger que l'air, avec une températureliquéfaction de -252,8 degrés Celsius.
Vous pouvez facilement voir par expérience que H2 est le plus simple. Pour ce faire, il suffit de remplir trois boules avec diverses substances - hydrogène, dioxyde de carbone, air ordinaire - et de les libérer simultanément de votre main. Celui rempli de CO2 atteindra le sol plus rapidement que quiconque, après quoi le mélange d'air gonflé descendra, et celui contenant H2 montera jusqu'au plafond.
La petite masse et la petite taille des particules d'hydrogène justifient sa capacité à pénétrer à travers diverses substances. Sur l'exemple du même ballon, c'est facile à vérifier, en quelques jours il se dégonflera, puisque le gaz passera simplement à travers le caoutchouc. De plus, l'hydrogène peut s'accumuler dans la structure de certains métaux (palladium ou platine) et s'en évaporer lorsque la température augmente.
La propriété de faible solubilité de l'hydrogène est utilisée en laboratoire pour son isolement par la méthode de déplacement d'eau. Les propriétés physiques de l'hydrogène (le tableau ci-dessous contient les principaux paramètres) déterminent le champ d'application et les méthodes de production.
| Paramètre d'un atome ou d'une molécule d'une substance simple | Signification |
| Masse atomique (masse molaire) | 1.008 g/mol |
| Configuration électronique | 1s1 |
| Réseau cristallin | Hexagonal |
| Conduction thermique | (300 K) 0,1815 W/(m·K) |
| Densité à n. y. | 0, 08987 g/l |
| Point d'ébullition | -252, 76 °C |
| Pouvoir calorifique spécifique | 120, 9 106 J/kg |
| Point de fusion | -259, 2 °C |
| Solubilité dans l'eau | 18, 8ml/L |
Composition isotopique
Comme beaucoup d'autres représentants du système périodique des éléments chimiques, l'hydrogène a plusieurs isotopes naturels, c'est-à-dire des atomes avec le même nombre de protons dans le noyau, mais un nombre différent de neutrons - des particules de charge et d'unité nulles Masse. Des exemples d'atomes qui ont cette propriété sont l'oxygène, le carbone, le chlore, le brome et d'autres, y compris les radioactifs.
Propriétés physiques de l'hydrogène 1H, le plus commun des représentants de ce groupe, diffère considérablement des mêmes caractéristiques de ses homologues. En particulier, les caractéristiques des substances dans lesquelles ils sont inclus diffèrent. Ainsi, il y a de l'eau ordinaire et deutérée, contenant dans sa composition au lieu d'un atome d'hydrogène avec un seul proton, le deutérium 2H - son isotope avec deux particules élémentaires: positive et non chargée. Cet isotope est deux fois plus lourd que l'hydrogène ordinaire, ce qui explique la différence fondamentale dans les propriétés des composés qu'ils composent. Dans la nature, le deutérium est 3200 fois plus rare que l'hydrogène. Le troisième représentant est le tritium 3Н, dans le noyau il a deux neutrons et un proton.
Méthodes d'obtention et de sélection
Les méthodes de production d'hydrogène en laboratoire et en industrie sont très différentes. Oui, en petite quantitéle gaz est produit principalement par des réactions impliquant des minéraux, tandis que la production à grande échelle utilise davantage la synthèse organique.
Les interactions chimiques suivantes sont utilisées au laboratoire:
- La réaction des métaux alcalins et alcalino-terreux avec l'eau pour former l'alcali et le gaz désiré.
- Électrolyse d'une solution aqueuse d'électrolyte, H2↑ est libéré à l'anode et de l'oxygène est libéré à la cathode.
- Décomposition des hydrures de métaux alcalins avec de l'eau, les produits sont des alcalins et, par conséquent, du gaz H2↑.
- Réaction d'acides dilués avec des métaux pour former des sels et H2↑.
- L'action des alcalis sur le silicium, l'aluminium et le zinc favorise également le dégagement d'hydrogène parallèlement à la formation de sels complexes.
Dans les intérêts industriels, le gaz est obtenu par des méthodes telles que:
- Décomposition thermique du méthane en présence d'un catalyseur en ses substances simples constitutives (350 degrés atteint la valeur d'un indicateur tel que la température) - hydrogène H2↑ et carbone C.
- Passage d'eau vaporeuse à travers du coke à 1000 degrés Celsius pour former du dioxyde de carbone CO2 et H2↑ (la méthode la plus courante).
- Conversion de méthane gazeux sur un catalyseur au nickel à des températures atteignant 800 degrés.
- L'hydrogène est un sous-produit de l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorures de potassium ou de sodium.
Chimiqueinteractions: généralités
Les propriétés physiques de l'hydrogène expliquent en grande partie son comportement dans les processus de réaction avec l'un ou l'autre composé. La valence de l'hydrogène est 1, puisqu'il se situe dans le premier groupe du tableau périodique, et le degré d'oxydation en montre un différent. Dans tous les composés, à l'exception des hydrures, l'hydrogène dans s.o.=(1+), dans les molécules comme ХН, ХН2, ХН3 – (1 -).
Une molécule d'hydrogène gazeux, formée en créant une paire d'électrons généralisée, se compose de deux atomes et est assez stable énergétiquement, c'est pourquoi, dans des conditions normales, elle est quelque peu inerte et entre en réaction lorsque les conditions normales changent. Selon le degré d'oxydation de l'hydrogène dans la composition d'autres substances, il peut agir à la fois comme agent oxydant et comme agent réducteur.
Substances avec lesquelles il réagit et forme de l'hydrogène
Interactions élémentaires pour former des substances complexes (souvent à des températures élevées):
- Métal alcalin et alcalino-terreux + hydrogène=hydrure.
- Halogène + H2=halogénure d'hydrogène.
- Soufre + hydrogène=sulfure d'hydrogène.
- Oxygène + H2=eau.
- Carbone + hydrogène=méthane.
- Azote + H2=ammoniac.
Interaction avec des substances complexes:
- Produire du gaz de synthèse à partir de monoxyde de carbone et d'hydrogène.
- Récupération des métaux de leurs oxydes à l'aide de H2.
- Saturation en hydrogène des aliphatiques insaturéshydrocarbures.
Liaison hydrogène
Les propriétés physiques de l'hydrogène sont telles qu'elles lui permettent, en combinaison avec un élément électronégatif, de former un type spécial de liaison avec le même atome à partir de molécules voisines qui ont des paires d'électrons non partagées (par exemple, l'oxygène, azote et fluor). L'exemple le plus clair sur lequel il vaut mieux considérer un tel phénomène est l'eau. On peut dire qu'il est cousu avec des liaisons hydrogène, qui sont plus faibles que les liaisons covalentes ou ioniques, mais du fait qu'elles sont nombreuses, elles ont un effet significatif sur les propriétés de la substance. Essentiellement, la liaison hydrogène est une interaction électrostatique qui lie les molécules d'eau en dimères et polymères, donnant lieu à son point d'ébullition élevé.
Hydrogène dans les composés minéraux
La composition de tous les acides inorganiques comprend un proton - un cation d'un atome tel que l'hydrogène. Une substance dont le résidu acide a un état d'oxydation supérieur à (-1) est appelée composé polybasique. Il contient plusieurs atomes d'hydrogène, ce qui rend la dissociation dans les solutions aqueuses en plusieurs étapes. Chaque proton suivant se détache du reste de l'acide de plus en plus difficilement. Par la teneur quantitative en hydrogènes du milieu, son acidité est déterminée.
L'hydrogène contient également des groupes hydroxyle de bases. En eux, l'hydrogène est connecté à un atome d'oxygène, par conséquent, l'état d'oxydation de ce résidu alcalin est toujours égal à (-1). La teneur en hydroxyles du milieu détermine sa basicité.
Application dans les activités humaines
Les bouteilles contenant une substance, ainsi que les récipients contenant d'autres gaz liquéfiés, tels que l'oxygène, ont un aspect spécifique. Ils sont peints en vert foncé avec un lettrage "Hydrogen" rouge vif. Le gaz est pompé dans une bouteille sous une pression d'environ 150 atmosphères. Les propriétés physiques de l'hydrogène, en particulier la légèreté de l'état gazeux d'agrégation, sont utilisées pour le remplir dans un mélange avec des ballons d'hélium, des ballons, etc.
L'hydrogène, dont les propriétés physiques et chimiques ont été apprises il y a de nombreuses années, est actuellement utilisé dans de nombreuses industries. La majeure partie est destinée à la production d'ammoniac. L'hydrogène est également impliqué dans la production de métaux (hafnium, germanium, gallium, silicium, molybdène, tungstène, zirconium et autres) à partir d'oxydes, agissant dans la réaction comme agent réducteur, acides cyanhydrique et chlorhydrique, alcool méthylique et liquide artificiel. le carburant. L'industrie alimentaire l'utilise pour transformer les huiles végétales en graisses solides.
Déterminé les propriétés chimiques et l'utilisation de l'hydrogène dans divers processus d'hydrogénation et d'hydrogénation des graisses, charbons, hydrocarbures, huiles et mazout. Grâce à cela, des pierres précieuses, des lampes à incandescence sont produites, des produits métalliques sont forgés et soudés sous l'influence d'une flamme oxygène-hydrogène.
