Hidrojenin kimyasal özellikleri: özellikleri ve uygulamaları.

Hidrojen H, evrenimizde en yaygın olanlardan biri olan kimyasal bir elementtir. Maddelerin bileşimindeki bir element olarak hidrojenin kütlesi, diğer türdeki atomların toplam içeriğinin% 75'idir. Gezegendeki en önemli ve hayati bileşiğin bir parçasıdır - su. Hidrojenin ayırt edici bir özelliği de D.I. Mendeleev'in periyodik kimyasal elementler sistemindeki ilk element olmasıdır.

Keşif ve keşif

Paracelsus'un yazılarında hidrojenden ilk kez bahsedilmesi on altıncı yüzyıla kadar uzanıyor. Ancak havanın gaz karışımından izolasyonu ve yanıcı özelliklerin incelenmesi on yedinci yüzyılda bilim adamı Lemery tarafından gerçekleştirildi. Hidrojen, hidrojen kütlesinin diğer gazlarla karşılaştırıldığında en küçük olduğunu deneysel olarak kanıtlayan bir İngiliz kimyager, fizikçi ve doğa bilimci tarafından kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bilimin gelişiminin sonraki aşamalarında birçok bilim adamı, özellikle de ona "suyu doğuran" adını veren Lavoisier onunla çalıştı.

PSHE'deki pozisyona göre özellikler

D.I. Mendeleev'in periyodik tablosunu açan element hidrojendir. Atomun fiziksel ve kimyasal özellikleri belirli bir ikilik gösterir, çünkü hidrojen aynı anda birinci gruba, ana alt gruba ait olarak sınıflandırılır, eğer bir metal gibi davranıyorsa ve kimyasal reaksiyon sürecinde tek bir elektronu verirse ve yedinciye - değerlik kabuğunun tamamen doldurulması durumunda, yani onu halojenlere benzer şekilde karakterize eden negatif parçacığın kabulü.

Elemanın elektronik yapısının özellikleri

İçerdiği karmaşık maddelerin ve en basit madde olan H2'nin özellikleri öncelikle hidrojenin elektronik konfigürasyonu tarafından belirlenir. Parçacık, birim kütleli bir proton ve pozitif yük (+1) içeren bir çekirdeğin etrafında yörüngesinde dönen Z= (-1) değerinde bir elektrona sahiptir. Elektronik konfigürasyonu 1s 1 olarak yazılmıştır; bu, hidrojenin ilk ve tek s-orbitalinde bir negatif parçacığın varlığı anlamına gelir.

Bir elektron çıkarıldığında veya verildiğinde ve bu elementin bir atomu metallerle akraba olacak bir özelliğe sahip olduğunda bir katyon elde edilir. Aslında hidrojen iyonu pozitif bir temel parçacıktır. Bu nedenle elektrondan yoksun hidrojene basitçe proton denir.

Fiziksel özellikler

Hidrojeni kısaca tanımlamak gerekirse, renksiz, az çözünen, bağıl atom kütlesi 2 olan, havadan 14,5 kat daha hafif, sıvılaşma sıcaklığı -252,8 santigrat derece olan bir gazdır.

Deneyimlerinize dayanarak H2'nin en hafif olduğunu kolayca doğrulayabilirsiniz. Bunu yapmak için, üç topu çeşitli maddelerle (hidrojen, karbondioksit, sıradan hava) doldurmanız ve aynı anda elinizden bırakmanız yeterlidir. CO 2 ile dolu olan yere en hızlı ulaşacak, ardından hava karışımıyla şişirilen aşağıya inecek, H 2 içeren ise tavana yükselecektir.

Hidrojen parçacıklarının küçük kütlesi ve boyutu, çeşitli maddelere nüfuz etme yeteneğini haklı çıkarır. Aynı top örneğini kullanarak bunu doğrulamak kolaydır; gaz kauçuğun içinden geçeceğinden birkaç gün sonra kendi kendine sönecektir. Hidrojen ayrıca bazı metallerin (paladyum veya platin) yapısında da birikebilir ve sıcaklık yükseldiğinde buharlaşabilir.

Hidrojenin düşük çözünürlük özelliği, laboratuvar uygulamalarında, uygulama kapsamını ve üretim yöntemlerini belirlemek için hidrojenin yerini alarak (aşağıda gösterilen tablo ana parametreleri içerir) onu izole etmek için kullanılır.

İzotopik bileşim

Periyodik kimyasal elementler sisteminin diğer birçok temsilcisi gibi, hidrojenin de birkaç doğal izotopu vardır, yani çekirdekte aynı sayıda protona sahip atomlar, ancak farklı sayıda nötron - sıfır yüke ve birim kütleye sahip parçacıklar. Benzer özelliğe sahip atomların örnekleri oksijen, karbon, klor, brom ve radyoaktif olanlar dahil diğerleridir.

Bu grubun temsilcileri arasında en yaygın olanı olan hidrojen 1H'nin fiziksel özellikleri, benzerlerinin aynı özelliklerinden önemli ölçüde farklıdır. Özellikle içerdikleri maddelerin özellikleri farklılık göstermektedir. Bu nedenle, tek protonlu bir hidrojen atomu yerine döteryum 2 H - iki temel parçacık içeren izotopu içeren sıradan ve döteryumlu su vardır: pozitif ve yüksüz. Bu izotop, sıradan hidrojenden iki kat daha ağırdır; bu da, oluşturdukları bileşiklerin özelliklerindeki dramatik farkı açıklar. Doğada döteryum hidrojenden 3200 kat daha az bulunur. Üçüncü temsilci trityum 3H'dir; çekirdeğinde iki nötron ve bir proton vardır.

Üretim ve izolasyon yöntemleri

Laboratuvar ve endüstriyel yöntemler oldukça farklıdır. Bu nedenle gaz, esas olarak mineral maddeleri içeren reaksiyonlar yoluyla küçük miktarlarda üretilirken, büyük ölçekli üretimde daha büyük ölçüde organik sentez kullanılır.

Laboratuvarda aşağıdaki kimyasal etkileşimler kullanılmaktadır:

Endüstriyel amaçlar için gaz aşağıdaki yöntemlerle üretilir:

1. Metanın, bir katalizör varlığında, kendisini oluşturan basit maddelere (sıcaklık gibi bir göstergenin değeri 350 dereceye ulaşır) - hidrojen H2 ve karbon C'ye termal ayrışması.
2. Karbon dioksit CO2 ve H2 oluşturmak için buharlı suyun 1000 santigrat derecede koktan geçirilmesi (en yaygın yöntem).
3. Metan gazının 800 dereceye ulaşan sıcaklıklarda nikel katalizör üzerinde dönüşümü.
4. Hidrojen, potasyum veya sodyum klorürlerin sulu çözeltilerinin elektrolizinden elde edilen bir yan üründür.

Kimyasal etkileşimler: genel hükümler

Hidrojenin fiziksel özellikleri, belirli bir bileşikle reaksiyon süreçlerindeki davranışını büyük ölçüde açıklamaktadır. Periyodik tabloda birinci grupta yer aldığından hidrojenin değeri 1'dir ve oksidasyon derecesi farklılık gösterir. Hidridler hariç tüm bileşiklerde, do.o. = (1+) cinsinden hidrojen, CN, CN2, CN3 - (1-) tipi moleküllerde.

Genelleştirilmiş bir elektron çifti oluşturularak oluşturulan hidrojen gazı molekülü iki atomdan oluşur ve enerji açısından oldukça kararlıdır, bu nedenle normal koşullar altında bir miktar inerttir ve normal koşullar değiştiğinde tepki verir. Diğer maddelerin bileşimindeki hidrojenin oksidasyon derecesine bağlı olarak hem oksitleyici madde hem de indirgeyici madde olarak işlev görebilir.

Hidrojenin reaksiyona girip oluşturduğu maddeler

Karmaşık maddeler oluşturmak için elementel etkileşimler (genellikle yüksek sıcaklıklarda):

1. Alkali ve alkalin toprak metali + hidrojen = hidrit.
2. Halojen + H2 = hidrojen halojenür.
3. Kükürt + hidrojen = hidrojen sülfür.
4. Oksijen + H2 = su.
5. Karbon + hidrojen = metan.
6. Azot + H2 = amonyak.

Karmaşık maddelerle etkileşim:

1. Karbon monoksit ve hidrojenden sentez gazı üretimi.
2. H2 kullanılarak metallerin oksitlerinden indirgenmesi.
3. Doymamış alifatik hidrokarbonların hidrojen doygunluğu.

Hidrojen bağı

Hidrojenin fiziksel özellikleri, elektronegatif bir elementle birleştiğinde, yalnız elektron çiftlerine sahip komşu moleküllerden (örneğin oksijen, nitrojen ve flor) aynı atomla özel bir tür bağ oluşturmasına izin verecek şekildedir. Bu fenomeni dikkate almanın daha iyi olduğu en açık örnek sudur. Kovalent veya iyonik olanlardan daha zayıf olan hidrojen bağlarıyla dikildiği söylenebilir ancak bunların çok sayıda olması nedeniyle maddenin özellikleri üzerinde önemli bir etkisi vardır. Esasen hidrojen bağı, su moleküllerini dimerlere ve polimerlere bağlayan ve yüksek kaynama noktasına yol açan elektrostatik bir etkileşimdir.

Mineral bileşiklerinde hidrojen

Tüm inorganik asitler, hidrojen gibi bir atomun katyonu olan bir proton içerir. Asidik kalıntısı (-1)'den büyük bir oksidasyon durumuna sahip olan bir maddeye polibazik bileşik denir. Sulu çözeltilerde çok aşamalı ayrışmayı sağlayan birkaç hidrojen atomu içerir. Sonraki her protonun asit kalıntısından uzaklaştırılması giderek daha zor hale gelir. Ortamın asitliği, ortamdaki hidrojenin niceliksel içeriğine göre belirlenir.

İnsan faaliyetlerinde uygulama

Madde içeren silindirlerin yanı sıra oksijen gibi diğer sıvılaştırılmış gazların bulunduğu kaplar da belirli bir görünüme sahiptir. Koyu yeşil renkte ve parlak kırmızıyla yazılmış "Hidrojen" kelimesiyle boyanmıştır. Gaz, yaklaşık 150 atmosfer basınç altında bir silindire pompalanır. Hidrojenin fiziksel özellikleri, özellikle de gaz halindeki toplanma durumunun hafifliği, helyumla karıştırılmış balonları, balonları vb. doldurmak için kullanılır.

İnsanların fiziksel ve kimyasal özelliklerini yıllar önce kullanmayı öğrendiği hidrojen, günümüzde birçok endüstride kullanılmaktadır. Büyük kısmı amonyak üretimine gidiyor. Hidrojen aynı zamanda (hafniyum, germanyum, galyum, silikon, molibden, tungsten, zirkonyum ve diğerleri) oksitlere de katılır ve reaksiyonda indirgeyici bir madde, hidrosiyanik ve hidroklorik asitlerin yanı sıra yapay sıvı yakıt olarak görev yapar. Gıda endüstrisi bunu bitkisel yağları katı yağlara dönüştürmek için kullanır.

Hidrojenin kimyasal özellikleri ve katı yağların, kömürlerin, hidrokarbonların, sıvı yağların ve akaryakıtın çeşitli hidrojenasyon ve hidrojenasyon proseslerinde kullanımı belirlendi. Değerli taşlar, akkor lambalar üretmek ve oksijen-hidrojen alevinin etkisi altında metal ürünleri dövmek ve kaynaklamak için kullanılır.

Hidrojenin kimyasal özellikleri

Sıradan koşullar altında, moleküler Hidrojen nispeten az aktiftir ve yalnızca metal olmayanların en aktif olanlarıyla (flor ile ve ışıkta klor ile) doğrudan birleşir. Ancak ısıtıldığında birçok elementle reaksiyona girer.

Hidrojen basit ve karmaşık maddelerle reaksiyona girer:

Yüksek sıcaklıkta hidrojen doğrudan reaksiyona girer bazı metallerle(alkali, alkali toprak ve diğerleri), beyaz kristalli maddeler oluşturan - metal hidritler (Li H, Na H, KH, CaH2, vb.):

H2 + 2Li = 2LiH

Metal hidrürler, karşılık gelen alkali ve hidrojeni oluşturmak üzere su ile kolayca ayrıştırılır:

ca H2 + 2H20 = Ca(OH)2 + 2H2

1). Oksijen ile Hidrojen suyu oluşturur:

Video "Hidrojenin yanması"

2H2 + Ö2 = 2H2Ö + Q

Normal sıcaklıklarda reaksiyon son derece yavaş, 550°C'nin üzerinde, patlamayla ilerler. (2 hacim H2 ve 1 hacim O2 karışımına denir patlayıcı gaz) .

Video "Patlayan gazın patlaması"

Video "Patlayıcı bir karışımın hazırlanması ve patlaması"

2). Halojenli Hidrojen, hidrojen halojenürleri oluşturur, örneğin:

H2 + Cl2 = 2HCl

Aynı zamanda Hidrojen, flor ile patlar (karanlıkta ve -252°C'de bile), yalnızca aydınlatıldığında veya ısıtıldığında klor ve brom ile, yalnızca ısıtıldığında ise iyot ile reaksiyona girer.

3). Azotlu Hidrojen amonyak oluşturmak üzere reaksiyona girer:

ZN2 + N2 = 2NH3

yalnızca bir katalizör üzerinde ve yüksek sıcaklık ve basınçlarda.

4). Hidrojen ısıtıldığında güçlü bir şekilde reaksiyona girer kükürtlü:

H2 + S = H2S (hidrojen sülfür),

selenyum ve tellür ile çok daha zordur.

5). Saf karbonlu Hidrojen katalizör olmadan yalnızca yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girebilir:

2H2 + C (amorf) = CH4 (metan)

- Hidrojen metal oksitlerle yer değiştirme reaksiyonuna girer Bu durumda ürünlerde su oluşur ve metal azalır. Hidrojen - indirgeyici bir maddenin özelliklerini sergiler:

Hidrojen kullanılıyor birçok metalin geri kazanılması için, oksijeni oksitlerinden uzaklaştırdığı için:

Fe304 + 4H2 = 3Fe + 4H20, vb.

Hidrojenin uygulamaları

Video "Hidrojen Kullanımı"

Şu anda büyük miktarlarda hidrojen üretiliyor. Çok büyük bir kısmı amonyak sentezinde, yağların hidrojenlenmesinde, kömür, yağlar ve hidrokarbonların hidrojenlenmesinde kullanılır. Ayrıca hidrojen, hidroklorik asit, metil alkol, hidrosiyanik asit sentezinde, metallerin kaynaklanmasında ve dövülmesinde, ayrıca akkor lambaların ve değerli taşların imalatında kullanılır. Hidrojen, 150 atm'nin üzerindeki basınç altında silindirlerde satılmaktadır. Koyu yeşil boyalıdırlar ve kırmızı bir "Hidrojen" yazısı vardır.

Hidrojen, sıvı yağları katı yağlara (hidrojenasyon) dönüştürmek, kömür ve akaryakıtın hidrojenlenmesiyle sıvı yakıt üretmek için kullanılır. Metalurjide hidrojen, metalleri ve metal olmayanları (germanyum, silikon, galyum, zirkonyum, hafniyum, molibden, tungsten vb.) üretmek için oksitler veya klorürler için indirgeyici bir madde olarak kullanılır.

Hidrojenin pratik kullanımları çeşitlidir: genellikle sonda balonlarını doldurmak için kullanılır, kimya endüstrisinde çok önemli birçok ürünün (amonyak vb.) üretimi için hammadde olarak hizmet eder, gıda endüstrisinde üretim için kullanılır. bitkisel yağlardan vb. katı yağların elde edilmesi. Hidrojenin oksijen içinde yakılmasıyla elde edilen yüksek sıcaklık (2600 °C'ye kadar), refrakter metallerin, kuvarsın vb. eritilmesinde kullanılır. Sıvı hidrojen, en verimli jet yakıtlarından biridir. Yıllık küresel hidrojen tüketimi 1 milyon tonu aşıyor.

SİMÜLATÖRLER

2 numara. Hidrojen

ATAMA GÖREVLERİ

Periyodik tabloda hidrojen, özellikleri tamamen zıt olan iki element grubunda bulunur. Bu özellik onu tamamen benzersiz kılmaktadır. Hidrojen sadece bir element veya madde değil, aynı zamanda birçok karmaşık bileşiğin ayrılmaz bir parçası, organojenik ve biyojenik bir elementtir. Bu nedenle özelliklerine ve özelliklerine daha detaylı bakalım.

Metallerin ve asitlerin etkileşimi sırasında yanıcı gaz salınımı 16. yüzyılda, yani kimyanın bir bilim olarak oluşumu sırasında gözlemlendi. Ünlü İngiliz bilim adamı Henry Cavendish, 1766 yılından başlayarak maddeyi incelemeye başladı ve ona “yanıcı hava” adını verdi. Bu gaz yandığında su üretiyordu. Ne yazık ki bilim adamının flojiston (varsayımsal "ultra ince madde") teorisine bağlılığı onun doğru sonuçlara varmasını engelledi.

Fransız kimyager ve doğa bilimci A. Lavoisier, mühendis J. Meunier ile birlikte ve özel gazometrelerin yardımıyla 1783 yılında suyu sentezledi ve ardından su buharının sıcak demirle ayrışması yoluyla analiz etti. Böylece bilim adamları doğru sonuçlara varabildiler. "Yanıcı havanın" yalnızca suyun bir parçası olmadığını, aynı zamanda ondan da elde edilebileceğini buldular.

1787'de Lavoisier, incelenen gazın basit bir madde olduğunu ve dolayısıyla birincil kimyasal elementlerden biri olduğunu öne sürdü. Buna hidrojen adını verdi (Yunanca hydor - su + gennao - doğuruyorum kelimelerinden), yani "suyu doğurmak".

Rusça "hidrojen" adı 1824 yılında kimyager M. Soloviev tarafından önerildi. Suyun bileşiminin belirlenmesi "flojiston teorisinin" sonunu işaret ediyordu. 18. ve 19. yüzyılların başında, hidrojen atomunun (diğer elementlerin atomlarına kıyasla) çok hafif olduğu ve atom kütlelerini karşılaştırmak için kütlesinin 1'e eşit bir değer alarak temel birim olarak alındığı tespit edildi.

Fiziksel özellikler

Hidrojen bilimde bilinen en hafif maddedir (havadan 14,4 kat daha hafiftir), yoğunluğu 0,0899 g/l'dir (1 atm, 0 °C). Bu malzeme sırasıyla -259,1 °C ve -252,8 °C'de erir (katılaşır) ve kaynar (sıvılaşır) (sadece helyum daha düşük kaynama ve erime sıcaklıklarına sahiptir).

Hidrojenin kritik sıcaklığı oldukça düşüktür (-240°C). Bu nedenle sıvılaştırılması oldukça karmaşık ve maliyetli bir işlemdir. Maddenin kritik basıncı 12,8 kgf/cm², kritik yoğunluğu ise 0,0312 g/cm³'tür. Tüm gazlar arasında hidrojen en yüksek termal iletkenliğe sahiptir: 1 atm ve 0 °C'de 0,174 W/(mxK)'ye eşittir.

Aynı koşullar altında maddenin özgül ısı kapasitesi 14.208 kJ/(kgxK) veya 3.394 cal/(rx°C)'dir. Bu element suda az çözünür (1 atm ve 20 °C'de yaklaşık 0,0182 ml/g), ancak çoğu metalde (Ni, Pt, Pa ve diğerleri), özellikle paladyumda (hacim başına yaklaşık 850 hacim Pd) iyi çözünür. .

İkinci özellik, yayılma kabiliyeti ile ilişkilidir ve bir karbon alaşımı (örneğin çelik) yoluyla difüzyona, hidrojenin karbonla etkileşimi nedeniyle alaşımın tahrip olması eşlik edebilir (bu işleme karbon giderme denir). Sıvı halde madde çok hafiftir (t° = -253 °C'de yoğunluk - 0,0708 g/cm³) ve akışkandır (aynı koşullar altında viskozite - 13,8 bozulma).

Birçok bileşikte bu element, sodyum ve diğer alkali metaller gibi +1 değerlik (oksidasyon durumu) sergiler. Genellikle bu metallerin bir analogu olarak kabul edilir. Buna göre periyodik sistemin I. grubuna başkanlık ediyor. Metal hidritlerde hidrojen iyonu negatif yük gösterir (oksidasyon durumu -1'dir), yani Na+H-, Na+Cl- klorüre benzer bir yapıya sahiptir. Buna ve diğer bazı gerçeklere uygun olarak ("H" elementinin halojenlerle fiziksel özelliklerinin benzerliği, organik bileşiklerde onu halojenlerle değiştirme yeteneği), Hidrojen periyodik sistemin VII. grubunda sınıflandırılır.

Normal koşullar altında, moleküler hidrojen düşük aktiviteye sahiptir ve yalnızca en aktif metal olmayanlarla (flor ve klor ile, ikincisi ışıkta) doğrudan birleşir. Buna karşılık ısıtıldığında birçok kimyasal elementle etkileşime girer.

Atomik hidrojenin kimyasal aktivitesi artmıştır (moleküler hidrojene kıyasla). Oksijenle aşağıdaki formüle göre su oluşturur:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О,

285,937 kJ/mol ısı veya 68,3174 kcal/mol (25 °C, 1 atm) açığa çıkar. Normal sıcaklık koşulları altında reaksiyon oldukça yavaş ilerler ve t° >= 550 °C'de kontrol edilemez. Hacimce hidrojen + oksijen karışımının patlama limitleri %4–94 H₂'dir ve hidrojen + hava karışımı %4–74 H₂'dir (iki hacim H₂ ve bir hacim O₂'den oluşan karışıma patlayıcı gaz denir).

Bu element, oksijeni oksitlerden uzaklaştırdığı için çoğu metali azaltmak için kullanılır:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,

CuO + H₂ = Cu + H₂O, vb.

Hidrojen, farklı halojenlerle hidrojen halojenürler oluşturur, örneğin:

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Bununla birlikte, flor ile reaksiyona girdiğinde hidrojen patlar (bu aynı zamanda karanlıkta, -252 ° C'de de olur), brom ve klor ile yalnızca ısıtıldığında veya aydınlatıldığında ve iyot ile yalnızca ısıtıldığında reaksiyona girer. Azotla etkileşime girdiğinde amonyak oluşur, ancak yalnızca bir katalizörde, yüksek basınç ve sıcaklıklarda:

ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.

Isıtıldığında hidrojen kükürt ile aktif olarak reaksiyona girer:

H₂ + S = H₂S (hidrojen sülfür),

ve tellür veya selenyumla çok daha zordur. Hidrojen, saf karbonla katalizör olmadan, ancak yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girer:

2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metan).

Bu madde bazı metallerle (alkali, toprak alkali ve diğerleri) doğrudan reaksiyona girerek hidritler oluşturur, örneğin:

H₂ + 2Li = 2LiH.

Hidrojen ve karbon monoksit (II) arasındaki etkileşimler oldukça pratik öneme sahiptir. Bu durumda basınca, sıcaklığa ve katalizöre bağlı olarak farklı organik bileşikler oluşur: HCHO, CH₃OH, vb. Reaksiyon sırasında doymamış hidrokarbonlar doymuş hale gelir, örneğin:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

Hidrojen ve bileşikleri kimyada olağanüstü bir rol oynar. Sözde asidik özelliklerini belirler. protik asitler, farklı elementlerle hidrojen bağları oluşturma eğilimindedir ve bu, birçok inorganik ve organik bileşiğin özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Hidrojen üretimi

Bu elementin endüstriyel üretimi için ana hammadde türleri, petrol rafine gazları, doğal yanıcı ve kok fırını gazlarıdır. Ayrıca sudan elektroliz yoluyla (elektriğin mevcut olduğu yerlerde) elde edilir. Doğal gazdan malzeme üretmenin en önemli yöntemlerinden biri, başta metan olmak üzere hidrokarbonların su buharı ile katalitik etkileşimidir (dönüşüm olarak adlandırılır). Örneğin:

CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.

Hidrokarbonların oksijenle eksik oksidasyonu:

CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.

Sentezlenen karbon monoksit (II) dönüşüme uğrar:

CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Doğal gazdan üretilen hidrojen en ucuzudur.

Suyun elektrolizi için, bir NaOH veya KOH çözeltisinden geçirilen doğru akım kullanılır (ekipmanın korozyonunu önlemek için asitler kullanılmaz). Laboratuvar koşullarında malzeme suyun elektrolizi ile veya hidroklorik asit ile çinko arasındaki reaksiyon sonucu elde edilir. Ancak silindirlerde hazır fabrika malzemesi daha sık kullanılır.

Bu element, derin soğutma sırasında daha kolay sıvılaştığından, gaz karışımındaki diğer tüm bileşenlerin çıkarılmasıyla petrol rafine gazlarından ve kok fırını gazından izole edilir.

Bu malzeme 18. yüzyılın sonlarında endüstriyel olarak üretilmeye başlandı. O zamanlar balonları doldurmak için kullanılıyordu. Şu anda hidrojen, endüstride, özellikle kimya endüstrisinde, amonyak üretimi için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Maddenin kitlesel tüketicileri, metil ve diğer alkollerin, sentetik benzinin ve diğer birçok ürünün üreticileridir. Karbon monoksit (II) ve hidrojenden sentez yoluyla elde edilirler. Hidrojen, ağır ve katı sıvı yakıtların, yağların vb. hidrojenlenmesinde, HCl sentezinde, petrol ürünlerinin hidrojenle işlenmesinde ve ayrıca metal kesme/kaynaklamada kullanılır. Nükleer enerjinin en önemli unsurları izotopları olan trityum ve döteryumdur.

Hidrojenin biyolojik rolü

Canlı organizmaların kütlesinin yaklaşık %10'u (ortalama olarak) bu elementten gelir. Suyun ve proteinler, nükleik asitler, lipitler ve karbonhidratlar dahil olmak üzere en önemli doğal bileşik gruplarının bir parçasıdır. Ne için kullanılır?

Bu materyal belirleyici bir rol oynar: proteinlerin uzamsal yapısının korunmasında (dördüncül), nükleik asitlerin tamamlayıcılık ilkesinin uygulanmasında (yani genetik bilginin uygulanmasında ve depolanmasında) ve genel olarak moleküler düzeyde "tanınmada". seviye.

Hidrojen iyonu H+ vücutta önemli dinamik reaksiyonlarda/süreçlerde rol alır. Dahil olanlar: canlı hücrelere enerji sağlayan biyolojik oksidasyonda, biyosentez reaksiyonlarında, bitkilerde fotosentezde, bakteriyel fotosentezde ve nitrojen fiksasyonunda, asit-baz dengesinin ve homeostazın korunmasında, membran taşıma süreçlerinde. Karbon ve oksijenle birlikte yaşam olgusunun işlevsel ve yapısal temelini oluşturur.

Hidrojen, 18. yüzyılın ikinci yarısında fizik ve kimya alanında çalışan İngiliz bilim adamı G. Cavendish tarafından keşfedildi. Maddeyi saf haliyle izole etmeyi başardı, onu incelemeye başladı ve özelliklerini anlattı.

Hidrojenin keşfinin hikayesi bu. Deneyler sırasında araştırmacı, bunun havada yanması su üreten yanıcı bir gaz olduğunu belirledi. Bu, suyun niteliksel bileşiminin belirlenmesine yol açtı.

Hidrojen nedir

Hidrojenin basit bir madde olduğunu ilk kez 1784 yılında Fransız kimyager A. Lavoisier açıkladı, çünkü molekülünün aynı türden atomlar içerdiğini tespit etti.

Kimyasal elementin Latince adı, “su veren” anlamına gelen hidrojenyuma (“hidrojenyum” olarak okunur) benzer. Adı, su üreten yanma reaksiyonunu ifade eder.

Hidrojenin özellikleri

Hidrojenin tanımı N. Mendeleev, bu kimyasal elemente ilk atom numarasını atadı ve onu birinci grubun ana alt grubuna ve ilk periyoda ve koşullu olarak yedinci grubun ana alt grubuna yerleştirdi.

Hidrojenin atom ağırlığı (atom kütlesi) 1,00797'dir. H2'nin molekül ağırlığı 2a'dır. e. Molar kütle sayısal olarak buna eşittir.

Özel bir adı olan üç izotopla temsil edilir: en yaygın olanı protium (H), ağır döteryum (D), radyoaktif trityum (T).

Basit bir şekilde tamamen izotoplara ayrılabilen ilk elementtir. İzotopların kütlelerindeki yüksek farka dayanmaktadır. İşlem ilk kez 1933'te gerçekleştirildi. Bu, yalnızca 1932'de kütlesi 2 olan bir izotopun keşfedilmesiyle açıklanmaktadır.

Fiziksel özellikler

Normal koşullar altında, diatomik moleküller formundaki basit hidrojen maddesi renksiz, tatsız ve kokusuz bir gazdır. Suda ve diğer solventlerde az çözünür.

Kristalleşme sıcaklığı - 259,2 o C, kaynama noktası - 252,8 o C Hidrojen moleküllerinin çapı o kadar küçüktür ki, birçok malzeme (kauçuk, cam, metal) içinden yavaşça yayılma yeteneğine sahiptirler. Bu özellik, hidrojeni gaz halindeki yabancı maddelerden arındırmak gerektiğinde kullanılır. ne zaman sen. hidrojenin yoğunluğu 0,09 kg/m3'tür.

Birinci grupta yer alan elementlere benzetilerek hidrojenin metale dönüştürülmesi mümkün müdür? Bilim adamları, basıncın 2 milyon atmosfere yaklaştığı koşullar altında hidrojenin, madde moleküllerinin polarizasyonunu gösteren kızılötesi ışınları emmeye başladığını bulmuşlardır. Belki daha da yüksek basınçlarda hidrojen bir metal haline gelecektir.

Bu ilginç: Dev gezegenler Jüpiter ve Satürn'de hidrojenin metal formunda bulunduğuna dair bir varsayım var. Yer mantosunun yarattığı aşırı yüksek basınç nedeniyle, yerkürenin çekirdeğinde metalik katı hidrojenin de mevcut olduğu varsayılmaktadır.

Kimyasal özellikler

Hem basit hem de karmaşık maddeler hidrojenle kimyasal etkileşime girer. Ancak hidrojenin düşük aktivitesinin, uygun koşullar yaratılarak (sıcaklığın arttırılması, katalizörlerin kullanılması vb.) arttırılması gerekir.

Isıtıldığında oksijen (O2), klor (Cl2), nitrojen (N2), kükürt (S) gibi basit maddeler hidrojenle reaksiyona girer.

Saf hidrojeni bir gaz çıkış borusunun ucunda havada tutuşturursanız, eşit şekilde yanacaktır, ancak çok az fark edilecektir. Gaz çıkış tüpünü saf oksijen atmosferine yerleştirirseniz, reaksiyonun bir sonucu olarak kabın duvarlarında su damlacıklarının oluşmasıyla yanma devam edecektir:

Suyun yanmasına büyük miktarda ısının salınması eşlik eder. Bu, hidrojenin oksijenle oksitlenerek H2O oksit oluşturduğu ekzotermik bir bileşik reaksiyonudur. Aynı zamanda hidrojenin oksitlendiği ve oksijenin indirgendiği bir redoks reaksiyonudur.

Cl2 ile reaksiyon, hidrojen klorür oluşturmak için benzer şekilde gerçekleşir.

Azotun hidrojenle etkileşimi, yüksek sıcaklık ve yüksek basıncın yanı sıra bir katalizörün varlığını gerektirir. Sonuç amonyaktır.

Kükürt ile reaksiyonun bir sonucu olarak, çürük yumurtaların karakteristik kokusu ile tanınması kolaylaştırılan hidrojen sülfür oluşur.

Bu reaksiyonlarda hidrojenin oksidasyon durumu +1 ve aşağıda açıklanan hidritlerde -1'dir.

Bazı metallerle reaksiyona girdiğinde hidritler oluşur, örneğin sodyum hidrit - NaH. Bu karmaşık bileşiklerin bazıları, termonükleer enerjinin yanı sıra roketler için yakıt olarak da kullanılıyor.

Hidrojen ayrıca karmaşık kategorideki maddelerle de reaksiyona girer. Örneğin bakır (II) oksit ile CuO formülü. Reaksiyonu gerçekleştirmek için, ısıtılmış toz bakır (II) oksit üzerinden bakır hidrojen geçirilir. Etkileşim sırasında reaktifin rengi değişir ve kırmızı-kahverengi olur ve su damlacıkları test tüpünün soğuk duvarlarına yerleşir.

Reaksiyon sırasında hidrojen oksitlenerek su oluşur ve bakır oksitten basit bir maddeye (Cu) indirgenir.

Uygulamalar

Hidrojen insanlar için büyük önem taşıyor ve çeşitli alanlarda kullanılıyor:

1. Kimyasal üretimde hammadde, diğer endüstrilerde ise yakıttır. Petrokimya ve petrol rafineri işletmeleri hidrojen olmadan yapamazlar.
2. Elektrik enerjisi endüstrisinde bu basit madde, soğutucu madde görevi görür.
3. Demir ve demir dışı metalurjide hidrojen, indirgeyici ajan rolünü oynar.
4. Bu, ürünleri paketlerken inert bir ortam yaratılmasına yardımcı olur.
5. İlaç endüstrisi - hidrojen peroksit üretiminde reaktif olarak hidrojeni kullanır.
6. Meteoroloji balonları bu hafif gazla doldurulur.
7. Bu element aynı zamanda roket motorları için yakıt azaltıcı olarak da bilinir.

Bilim insanları oybirliğiyle enerji sektöründe hidrojen yakıtının liderliğini üstleneceğini öngörüyor.

Endüstride makbuz

Endüstride hidrojen, suda çözünmüş alkali metallerin klorürlerine veya hidroksitlerine maruz bırakılan elektroliz yoluyla üretilir. Bu yöntemle hidrojeni doğrudan sudan elde etmek de mümkündür.

Kok veya metanın su buharı ile dönüştürülmesi bu amaçlar için kullanılır. Metanın yüksek sıcaklıklarda ayrışması da hidrojen üretir. Kok fırını gazının fraksiyonel yöntemle sıvılaştırılması, endüstriyel hidrojen üretiminde de kullanılmaktadır.

Laboratuvarda elde edilen

Laboratuvarda hidrojen üretmek için Kipp cihazı kullanılıyor.

Reaktifler hidroklorik veya sülfürik asit ve çinkodur. Reaksiyon hidrojen üretir.

Doğada hidrojen bulmak

Hidrojen evrendeki diğer elementlerden daha yaygındır. Güneş ve diğer kozmik cisimler de dahil olmak üzere yıldızların büyük kısmı hidrojendir.

Yerkabuğunda ise sadece %0,15'tir. Pek çok mineralde, tüm organik maddelerde ve gezegenimizin yüzeyinin 3/4'ünü kaplayan suda bulunur.

Atmosferin üst katmanlarında saf hidrojen izleri bulunabilir. Ayrıca bazı yanıcı doğal gazlarda da bulunur.

Gaz halindeki hidrojen en az yoğun olanıdır ve sıvı hidrojen gezegenimizdeki en yoğun maddedir. Hidrojenin yardımıyla nefes alırken sesinizin tınısını değiştirebilir ve nefes verirken konuşabilirsiniz.

En güçlü hidrojen bombası en hafif atomun parçalanmasına dayanır.

Sıvı

Hidrojen(lat. Hidrojenyum; sembolüyle gösterilir H) periyodik element tablosunun ilk elementidir. Doğada yaygın olarak dağıtılır. Hidrojenin en yaygın izotopu olan 1H'nin katyonu (ve çekirdeği) protondur. 1H çekirdeğinin özellikleri, NMR spektroskopisinin organik maddelerin analizinde yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılar.

Hidrojenin üç izotopunun kendi isimleri vardır: 1H - protium (H), 2H - döteryum (D) ve 3H - trityum (radyoaktif) (T).

Basit madde hidrojen - H2 - açık renksiz bir gazdır. Hava veya oksijenle karıştığında yanıcı ve patlayıcıdır. Toksik değildir. Etanolde ve bir dizi metalde çözünür: demir, nikel, paladyum, platin.

Hikaye

Asitlerin ve metallerin etkileşimi sırasında yanıcı gazların salınması, 16. ve 17. yüzyıllarda kimyanın bir bilim olarak oluşumunun şafağında gözlemlendi. Mikhail Vasilyevich Lomonosov da doğrudan izolasyonuna dikkat çekti, ancak bunun flojiston olmadığının kesinlikle farkındaydı. İngiliz fizikçi ve kimyager Henry Cavendish 1766 yılında bu gazı incelemiş ve ona “yanıcı hava” adını vermiştir. Yakıldığında "yanıcı hava" su üretiyordu, ancak Cavendish'in flojiston teorisine bağlılığı onun doğru sonuçlara varmasını engelledi. Fransız kimyager Antoine Lavoisier, mühendis J. Meunier ile birlikte 1783 yılında özel gazometreler kullanarak suyun sentezini ve ardından su buharını sıcak demirle ayrıştırarak analizini gerçekleştirdi. Böylece “yanıcı havanın” suyun bir parçası olduğunu ve ondan elde edilebileceğini tespit etti.

İsmin kökeni

Lavoisier hidrojene, "su doğuran" anlamındaki hidrojen adını verdi. Rusça "hidrojen" adı, 1824'te kimyager M. F. Soloviev tarafından Slomonosov'un "oksijenine" benzetilerek önerildi.

Yaygınlık

Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Tüm atomların yaklaşık %92'sini oluşturur (%8'i helyum atomudur, diğer tüm elementlerin toplam payı %0,1'den azdır). Dolayısıyla hidrojen, yıldızların ve yıldızlararası gazın ana bileşenidir. Yıldız sıcaklıkları koşullarında (örneğin, Güneş'in yüzey sıcaklığı ~ 6000 °C'dir), yıldızlararası uzayda hidrojen plazma formunda bulunur; bu element bireysel moleküller, atomlar ve iyonlar formunda bulunur ve oluşabilir. Boyut, yoğunluk ve sıcaklık bakımından önemli ölçüde değişen moleküler bulutlar.

Yerkabuğu ve canlı organizmalar

Hidrojenin yer kabuğundaki kütle oranı %1'dir; en bol bulunan onuncu elementtir. Ancak doğadaki rolü kütleye göre değil, diğer elementler arasında payı% 17 olan atom sayısına göre belirlenir (atomların payı ~% 52 olan oksijenden sonra ikinci sırada). Bu nedenle Dünya'da meydana gelen kimyasal işlemlerde hidrojenin önemi neredeyse oksijen kadar büyüktür. Dünya üzerinde hem bağlı hem de serbest halde bulunan oksijenin aksine, Dünya üzerindeki hidrojenin hemen hemen tamamı bileşikler halindedir; Atmosferde yalnızca çok az miktarda basit madde formunda hidrojen bulunur (hacimce %0,00005).

Hidrojen hemen hemen tüm organik maddelerin bir parçasıdır ve tüm canlı hücrelerde bulunur. Canlı hücrelerde hidrojen, atom sayısının neredeyse %50'sini oluşturur.

Fiş

Basit maddelerin üretimine yönelik endüstriyel yöntemler, karşılık gelen elementin doğada bulunduğu forma, yani üretimi için hammaddenin ne olabileceğine bağlıdır. Böylece serbest halde bulunan oksijen, fiziksel olarak sıvı havadan ayrıştırılarak elde edilir. Hidrojenin neredeyse tamamı bileşik halinde olduğundan elde edilmesi için kimyasal yöntemler kullanılır. Özellikle ayrışma reaksiyonları kullanılabilir. Hidrojen üretmenin bir yolu, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Hidrojen üretiminin ana endüstriyel yöntemi, doğal gazın bir parçası olan metanın suyla reaksiyonudur. Yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir (metan kaynar sudan geçirildiğinde bile herhangi bir reaksiyonun oluşmadığını doğrulamak kolaydır):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Laboratuvarda basit maddeler elde etmek için mutlaka doğal hammaddeler kullanılmaz, ancak gerekli maddeyi izole etmenin daha kolay olduğu başlangıç ​​​​materyalleri seçilir. Örneğin laboratuvarda havadan oksijen elde edilmez. Aynı durum hidrojen üretimi için de geçerlidir. Bazen endüstride kullanılan hidrojen üretimine yönelik laboratuvar yöntemlerinden biri, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Tipik olarak hidrojen, çinkonun hidroklorik asitle reaksiyona sokulmasıyla laboratuvarda üretilir.

Endüstride

1. Sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi:

2NaCl + 2H20 → H2 + 2NaOH + Cl2

2. Yaklaşık 1000 °C sıcaklıktaki sıcak kok üzerinden su buharının geçirilmesi:

H2O+C? H2+CO

3. Doğalgazdan.

Buhar dönüşümü:

CH4 + H20 ? CO + 3H2 (1000 °C)

Oksijenle katalitik oksidasyon:

2CH4 + O2? 2CO + 4H2

4. Petrol rafinasyonu sırasında hidrokarbonların kırılması ve yeniden şekillendirilmesi.

Laboratuvarda

1.Seyreltik asitlerin metaller üzerindeki etkisi. Bu reaksiyonu gerçekleştirmek için çoğunlukla çinko ve seyreltik hidroklorik asit kullanılır:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Kalsiyumun su ile etkileşimi:

Ca + 2H20 → Ca(OH)2 + H2

3.Hidridlerin hidrolizi:

NaH + H20 → NaOH + H2

4.Alkalilerin çinko veya alüminyum üzerindeki etkisi:

2Al + 2NaOH + 6H20 → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H20 → K2 + H2

5.Elektroliz kullanma. Alkalilerin veya asitlerin sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında katotta hidrojen açığa çıkar, örneğin:

2H 3 Ö + + 2e − → H 2 + 2H 2 Ö

Fiziksel özellikler

Hidrojen iki formda (modifikasyonlar) mevcut olabilir - orto- ve para-hidrojen formunda. Bir ortohidrojen molekülünde O-H2 (en −259,10 °C, bp −252,56 °C) nükleer dönüşler aynı şekilde (paralel) yönlendirilir ve parahidrojen için P-H2 (erime noktası -259,32 °C, kaynama noktası -252,89 °C) - birbirine zıttır (antiparalel). Denge karışımı O-H2 ve P Belirli bir sıcaklıkta -H2 denir denge hidrojeni e-H2.

Hidrojen modifikasyonları, sıvı nitrojen sıcaklığında aktif karbon üzerinde adsorpsiyonla ayrılabilir. Çok düşük sıcaklıklarda ortohidrojen ve parahidrojen arasındaki denge neredeyse tamamen parahidrojene doğru kayar. 80 K'de formların oranı yaklaşık 1:1'dir. Isıtıldığında desorbe edilen parahidrojen, oda sıcaklığında dengede olan bir karışım oluşana kadar ortohidrojene dönüştürülür (orto-para: 75:25). Katalizör olmadan, dönüşüm yavaş yavaş gerçekleşir (yıldızlararası ortamın koşulları altında - karakteristik zamanlarla kozmolojik olanlara kadar), bu da bireysel modifikasyonların özelliklerini incelemeyi mümkün kılar.

Hidrojen en hafif gazdır, havadan 14,5 kat daha hafiftir. Açıkçası, moleküllerin kütlesi ne kadar küçük olursa, aynı sıcaklıkta hızları da o kadar yüksek olur. En hafif moleküller olan hidrojen molekülleri, diğer gazların moleküllerinden daha hızlı hareket eder ve böylece ısıyı bir cisimden diğerine daha hızlı aktarabilir. Buradan hidrojenin gaz halindeki maddeler arasında en yüksek termal iletkenliğe sahip olduğu sonucu çıkar. Isıl iletkenliği havanın ısıl iletkenliğinden yaklaşık yedi kat daha yüksektir.

Hidrojen molekülü diyatomiktir - H2. Normal şartlarda renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Yoğunluk 0,08987 g/l (no.), kaynama noktası -252,76 °C, özgül yanma ısısı 120,9×10 6 J/kg, suda az çözünür - 18,8 ml/l. Hidrojen birçok metalde (Ni, Pt, Pd, vb.), özellikle paladyumda (1 hacim Pd başına 850 hacim) oldukça çözünür. Hidrojenin metallerdeki çözünürlüğü metaller arasında yayılma yeteneği ile ilgilidir; Bir karbon alaşımından (örneğin çelik) difüzyona bazen hidrojenin karbonla etkileşimi nedeniyle (dekarbonizasyon adı verilen) alaşımın tahrip olması eşlik eder. Gümüşte pratik olarak çözünmez.

Sıvı hidrojen−252,76 ile −259,2 °C arasında çok dar bir sıcaklık aralığında bulunur. Renksiz, çok hafif (-253 °C'de yoğunluk 0,0708 g/cm3) ve akışkan (-253 °C'de viskozite 13,8 spuaz) bir sıvıdır. Hidrojenin kritik parametreleri çok düşüktür: sıcaklık -240,2 °C ve basınç 12,8 atm. Bu, hidrojenin sıvılaştırılmasındaki zorlukları açıklamaktadır. Sıvı halde denge hidrojeni %99,79 para-H2, %0,21 orto-H2'den oluşur.

Katı hidrojen, erime noktası -259,2 °C, yoğunluk 0,0807 g/cm3 (-262 °C'de) - kar benzeri kütle, altıgen kristaller, P6/mmc uzay grubu, hücre parametreleri A=3,75 C=6.12. Yüksek basınçta hidrojen metalik bir duruma dönüşür.

İzotoplar

Hidrojen, ayrı adlara sahip üç izotop formunda oluşur: 1H - protium (H), 2H - döteryum (D), 3H - trityum (radyoaktif) (T).

Protium ve döteryum, kütle numaraları 1 ve 2 olan kararlı izotoplardır. Doğadaki içerikleri sırasıyla 99,9885 ± %0,0070 ve 0,0115 ± %0,0070'tir. Bu oran hidrojenin kaynağına ve üretim yöntemine bağlı olarak biraz değişebilir.

Hidrojen izotopu 3H (trityum) kararsızdır. Yarı ömrü 12,32 yıldır. Trityum doğal olarak çok küçük miktarlarda oluşur.

Literatürde ayrıca kütle numaraları 4 - 7 ve yarı ömürleri 10 -22 - 10 -23 s olan hidrojen izotoplarına ilişkin veriler de sağlanmaktadır.

Doğal hidrojen 3200:1 oranında H2 ve HD (döteryum hidrojen) moleküllerinden oluşur. Saf döteryum hidrojen D2'nin içeriği daha da azdır. HD ve D2 konsantrasyonlarının oranı yaklaşık 6400:1'dir.

Kimyasal elementlerin tüm izotopları arasında, hidrojen izotoplarının fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirinden en çok farklılık gösterir. Bunun nedeni atom kütlelerindeki en büyük göreceli değişimdir.

Döteryum ve trityumun ayrıca orto ve para modifikasyonları da vardır: P-D2, O-D2, P-T2, O-T 2 . Heteroizotop hidrojenin (HD, HT, DT) orto ve para modifikasyonları yoktur.

Kimyasal özellikler

Ayrışmış hidrojen moleküllerinin fraksiyonu

Hidrojen molekülleri H2 oldukça güçlüdür ve hidrojenin reaksiyona girmesi için çok fazla enerji harcanması gerekir:

H 2 = 2H - 432 kJ

Bu nedenle, normal sıcaklıklarda hidrojen, yalnızca kalsiyum gibi çok aktif metallerle reaksiyona girerek kalsiyum hidrit oluşturur:

Ca + H2 = CaH2

ve hidrojen florür oluşturan tek metal olmayan flor ile:

Hidrojen çoğu metal ve metal olmayan maddelerle yüksek sıcaklıklarda veya diğer etkiler altında, örneğin aydınlatma altında reaksiyona girer:

02 + 2H2 = 2H20

Bazı oksitlerden oksijeni “çıkarabilir”, örneğin:

CuO + H2 = Cu + H2O

Yazılı denklem hidrojenin indirgeyici özelliklerini yansıtır.

N2 + 3H2 → 2NH3

Halojenlerle hidrojen halojenürler oluşturur:

F 2 + H 2 → 2HF, reaksiyon karanlıkta ve herhangi bir sıcaklıkta patlayıcı bir şekilde meydana gelir,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reaksiyon yalnızca ışıkta patlayıcı bir şekilde ilerler.

Yüksek ısı altında kurumla etkileşime girer:

C + 2H 2 → CH 4

Alkali ve alkalin toprak metallerle etkileşim

Hidrojen, aktif metallerle etkileşime girdiğinde hidritler oluşturur:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hidritler- kolayca hidrolize edilen tuz benzeri katı maddeler:

CaH2 + 2H20 → Ca(OH)2 + 2H2

Metal oksitlerle etkileşim (genellikle d elementleri)

Oksitler metallere indirgenir:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 Ö 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 Ö

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Organik bileşiklerin hidrojenasyonu

Moleküler hidrojen, organik bileşiklerin indirgenmesi için organik sentezlerde yaygın olarak kullanılır. Bu süreçlere denir hidrojenasyon reaksiyonları. Bu reaksiyonlar, yüksek basınç ve sıcaklıkta bir katalizör varlığında gerçekleştirilir. Katalizör homojen (örn. Wilkinson Catalyst) veya heterojen (örn. Raney nikeli, karbon üzerinde paladyum) olabilir.

Böylece, özellikle alkenler ve alkinler gibi doymamış bileşiklerin katalitik hidrojenasyonu sırasında doymuş bileşikler - alkanlar oluşur.

Hidrojenin jeokimyası

Serbest hidrojen H2, karasal gazlarda nispeten nadir bulunur, ancak su formunda jeokimyasal süreçlerde son derece önemli bir rol alır.

Hidrojen minerallerde amonyum iyonu, hidroksil iyonu ve kristal su formunda bulunabilir.

Atmosferde suyun güneş ışınımıyla ayrışması sonucu sürekli olarak hidrojen üretilir. Kütlesi düşük olan hidrojen molekülleri, yüksek bir yayılma hareket hızına sahiptir (ikinci kozmik hıza yakındır) ve atmosferin üst katmanlarına girdiklerinde uzaya uçabilirler.

Tedavinin özellikleri

Hidrojen, havayla karıştırıldığında patlayıcı bir karışım oluşturur; buna patlayıcı gaz denir. Bu gaz, hidrojen ve oksijenin hacim oranı 2:1 olduğunda veya hava yaklaşık %21 oksijen içerdiğinden hidrojen ve hava yaklaşık 2:5 olduğunda en patlayıcıdır. Hidrojen aynı zamanda bir yangın tehlikesidir. Sıvı hidrojen ciltle temas ederse ciddi donmalara neden olabilir.

Hidrojen ve oksijenin patlayıcı konsantrasyonları hacimce %4 ila %96 arasında meydana gelir. Hava ile karıştırıldığında hacimce %4'ten %75(74)'e kadar.

Ekonomi

Büyük toptan tedarikler için hidrojenin maliyeti kg başına 2-5 dolar arasında değişmektedir.

Başvuru

Atomik hidrojen, atomik hidrojen kaynağı için kullanılır.

Kimya endüstrisi

• Amonyak, metanol, sabun ve plastik üretiminde
• Sıvı bitkisel yağlardan margarin üretiminde
• Besin takviyesi olarak kayıtlı E949(paketleme gazı)

Gıda endüstrisi

Havacılık endüstrisi

Hidrojen çok hafiftir ve daima havada yükselir. Bir zamanlar hava gemileri ve balonlar hidrojenle dolduruluyordu. Ama 30'lu yıllarda. XX yüzyıl Zeplinlerin patladığı ve yandığı birçok felaket yaşandı. Günümüzde hava gemileri, maliyeti çok yüksek olmasına rağmen helyumla dolduruluyor.

Yakıt

Hidrojen roket yakıtı olarak kullanılıyor.

Hidrojenin otomobil ve kamyonlarda yakıt olarak kullanılmasına ilişkin araştırmalar sürüyor. Hidrojen motorları çevreyi kirletmez ve sadece su buharı yayar.

Hidrojen-oksijen yakıt hücreleri, kimyasal reaksiyonun enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için hidrojeni kullanır.

"Sıvı Hidrojen"(“LH”), 0,07 g/cm³ düşük özgül yoğunluğa ve 14,01 K (-259,14 °C) donma noktasına ve 20,28 K (-252,87 °C) kaynama noktasına sahip kriyojenik özelliklere sahip hidrojenin sıvı halidir. ). Renksiz, kokusuz, hava ile karıştırıldığında %4-75 yanıcılık aralığına sahip patlayıcı olarak sınıflandırılan bir sıvıdır. Sıvı hidrojendeki izomerlerin dönüş oranı: %99,79 - parahidrojen; %0,21 - ortohidrojen. Hidrojenin toplanma durumunu gaz haline değiştirirken genleşme katsayısı 20°C'de 848:1'dir.

Diğer gazlarda olduğu gibi hidrojenin sıvılaştırılması da hacminin azalmasına neden olur. Sıvılaştırmadan sonra sıvı sıvı, ısı yalıtımlı kaplarda basınç altında depolanır. Sıvı hidrojen Sıvı hidrojen, LH2, Sol 2) endüstride bir gaz depolama biçimi olarak ve uzay endüstrisinde roket yakıtı olarak aktif olarak kullanılmaktadır.

Hikaye

Yapay soğutmanın belgelenen ilk kullanımı 1756'da İngiliz bilim adamı William Cullen tarafından gerçekleştirildi; 1784'te kükürt oksidin sıvı halini elde eden ilk kişi Gaspard Monge oldu; sıvılaştırılmış amonyağı elde eden ilk kişi Michael Faraday oldu; Amerikalı mucit Oliver Evans 1805'te bir soğutma kompresörü geliştiren ilk kişi oldu, 1834'te soğutma makinesinin patentini alan ilk kişi Jacob Perkins oldu ve 1851'de Amerika Birleşik Devletleri'nde bir klimanın patentini alan ilk kişi John Gorey oldu. Werner Siemens, 1857'de rejeneratif soğutma konseptini önerdi; Karl Linde, 1876'da kademeli bir "Joule-Thomson genleşme etkisi" ve rejeneratif soğutma kullanarak sıvı hava üretmek için ekipmanın patentini aldı. 1885 yılında Polonyalı fizikçi ve kimyager Zygmunt Wroblewski hidrojenin kritik sıcaklığını 33 K, kritik basıncını ise 13,3 atm olarak yayınladı. ve kaynama noktası 23 K'dır. Hidrojen ilk kez 1898'de James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve onun icadı olan Dewar şişesi kullanılarak sıvılaştırıldı. Sıvı hidrojenin kararlı bir izomeri olan parahidrojenin ilk sentezi 1929'da Paul Harteck ve Carl Bonhoeffer tarafından gerçekleştirildi.

Hidrojenin spin izomerleri

Oda sıcaklığında hidrojen esas olarak bir spin izomeri olan ortohidrojenden oluşur. Üretimden sonra sıvı hidrojen yarı kararlı bir durumdadır ve düşük sıcaklıklarda değiştiğinde meydana gelen patlayıcı ekzotermik reaksiyonu önlemek için parahidrojen formuna dönüştürülmesi gerekir. Parahidrojen fazına dönüşüm genellikle demir oksit, krom oksit, aktif karbon, platin kaplı asbest, nadir toprak metalleri gibi katalizörler kullanılarak veya uranyum veya nikel katkı maddeleri kullanılarak gerçekleştirilir.

Kullanım

Sıvı hidrojen, içten yanmalı motorlar ve yakıt hücreleri için bir yakıt depolama biçimi olarak kullanılabilir. Hidrojenin bu toplam formu kullanılarak çeşitli denizaltılar ("212A" ve "214" projeleri, Almanya) ve hidrojen taşıma konseptleri oluşturulmuştur (örneğin "DeepC" veya "BMW H2R"ye bakınız). Tasarımların benzerliği nedeniyle, LHV ekipmanının yaratıcıları sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) kullanan sistemleri kullanabilir veya yalnızca değiştirebilir. Ancak hacimsel enerji yoğunluğunun düşük olması nedeniyle yanma, doğal gaza göre daha büyük hacimde hidrojen gerektirir. Pistonlu motorlarda "CNG" yerine sıvı hidrojen kullanılıyorsa genellikle daha hacimli bir yakıt sistemine ihtiyaç duyulur. Direkt enjeksiyonda emme kanalındaki artan kayıplar silindir dolumunu azaltır.

Sıvı hidrojen ayrıca nötron saçılma deneylerinde nötronları soğutmak için de kullanılır. Nötron ve hidrojen çekirdeğinin kütleleri neredeyse eşittir, bu nedenle elastik çarpışma sırasında enerji alışverişi en etkili olanıdır.

Avantajları

Hidrojen kullanmanın avantajı, kullanımının “sıfır emisyon” olmasıdır. Hava ile etkileşiminin ürünü sudur.

Engeller

Bir litre “ZhV” yalnızca 0,07 kg ağırlığındadır. Yani özgül ağırlığı 20 K'de 70,99 g/l'dir. Sıvı hidrojen, özel ısı yalıtımlı kaplar gibi kriyojenik depolama teknolojisi gerektirir ve tüm kriyojenik malzemeler için tipik olan özel kullanım gerektirir. Bu bakımdan sıvı oksijene yakındır ancak yangın tehlikesi nedeniyle daha fazla dikkat gerektirir. Yalıtılmış kaplarda bile onu sıvı halde tutmak için gereken düşük sıcaklıklarda tutmak zordur (tipik olarak günde %1 oranında buharlaşır). Hidrojenle çalışırken olağan güvenlik önlemlerini de uygulamanız gerekir; patlayıcı olan havayı sıvılaştıracak kadar soğuktur.

İtici gaz

Sıvı hidrojen, fırlatma araçlarını ve uzay araçlarını hareket ettirmek için kullanılan roket yakıtlarının yaygın bir bileşenidir. Çoğu hidrojen sıvı roket motorunda, bir oksitleyici ile karıştırılıp itme kuvveti üretmek üzere yakılmadan önce ilk olarak memeyi ve diğer motor parçalarını rejeneratif olarak soğutmak için kullanılır. H2/O2 bileşenlerini kullanan modern motorlar, hidrojen açısından aşırı zenginleştirilmiş bir yakıt karışımı tüketir ve bu da egzozda belirli miktarda yanmamış hidrojene yol açar. Molekül ağırlığını azaltarak motorun özgül itiş gücünü artırmanın yanı sıra, bu aynı zamanda meme ve yanma odasının aşınmasını da azaltır.

LH'nin diğer alanlarda kullanılmasının önündeki kriyojenik doğa ve düşük yoğunluk gibi engeller de bu durumda kullanımı sınırlayıcı bir faktördür. 2009 yılı itibariyle tamamı hidrojen roketinden oluşan tek bir fırlatma aracı (Delta-4 fırlatma aracı) bulunmaktadır. Temel olarak “ZHV”, roketlerin üst aşamalarında veya yükün uzaya vakumla fırlatılması işinin önemli bir bölümünü gerçekleştiren bloklarda kullanılır. Bu tür yakıtın yoğunluğunu artırmaya yönelik önlemlerden biri olarak, çamur benzeri hidrojenin, yani yarı donmuş bir "sıvı hidrojen" formunun kullanılması önerileri vardır.