هدف درس.در این درس با شاید مهمترین عناصر شیمیایی برای حیات روی زمین - هیدروژن و اکسیژن آشنا می شوید، با خواص شیمیایی آنها و همچنین خواص فیزیکی مواد ساده ای که تشکیل می دهند آشنا می شوید، در مورد نقش اکسیژن و هیدروژن بیشتر بدانید. در طبیعت و زندگی فرد

هیدروژن- رایج ترین عنصر در کیهان. اکسیژن- رایج ترین عنصر روی زمین. آنها با هم آب را تشکیل می دهند، ماده ای که بیش از نیمی از جرم بدن انسان را تشکیل می دهد. اکسیژن گازی است که برای تنفس به آن نیاز داریم و بدون آب حتی چند روز هم نمی توانستیم زندگی کنیم، بنابراین بدون شک می توان اکسیژن و هیدروژن را مهمترین عناصر شیمیایی لازم برای زندگی دانست.

ساختار اتم های هیدروژن و اکسیژن

بنابراین، هیدروژن خواص غیر فلزی از خود نشان می دهد. هیدروژن در طبیعت به صورت سه ایزوتوپ پروتیوم، دوتریوم و تریتیوم یافت می شود.ایزوتوپ های هیدروژن از نظر خصوصیات فیزیکی با یکدیگر بسیار متفاوت هستند، بنابراین حتی به آنها نمادهای مجزا نیز اختصاص داده می شود.

اگر به خاطر ندارید یا نمی دانید ایزوتوپ ها چیست، با مواد منبع آموزشی الکترونیکی "ایزوتوپ ها به عنوان انواع اتم های یک عنصر شیمیایی" کار کنید. در آن یاد خواهید گرفت که چگونه ایزوتوپ های یک عنصر با یکدیگر متفاوت هستند، وجود چندین ایزوتوپ از یک عنصر به چه چیزی منجر می شود و همچنین با ایزوتوپ های چندین عنصر آشنا می شوید.

بنابراین، حالت های اکسیداسیون احتمالی اکسیژن به مقادیر از -2 تا +2 محدود می شود. اگر اکسیژن دو الکترون را بپذیرد (آنیون می شود) یا دو پیوند کووالانسی با عناصر الکترونگاتیو کمتر تشکیل می دهد، به حالت اکسیداسیون -2 می رود. اگر اکسیژن یک پیوند با اتم اکسیژن دیگر و پیوند دوم با یک اتم عنصر الکترونگاتیو کمتر ایجاد کند، به حالت اکسیداسیون -1 می رود. با تشکیل دو پیوند کووالانسی با فلوئور (تنها عنصر با مقدار الکترونگاتیوی بالاتر)، اکسیژن وارد حالت اکسیداسیون +2 می شود. تشکیل یک پیوند با اتم اکسیژن دیگر و پیوند دوم با اتم فلوئور - +1. در نهایت، اگر اکسیژن یک پیوند با اتم الکترونگاتیو کمتر و پیوند دوم با فلوئور تشکیل دهد، در حالت اکسیداسیون 0 خواهد بود.

خواص فیزیکی هیدروژن و اکسیژن، آلوتروپی اکسیژن

هیدروژن- گازی بی رنگ بدون طعم و بو. بسیار سبک (14.5 برابر سبکتر از هوا). دمای مایع شدن هیدروژن - 252.8- درجه سانتیگراد - تقریباً کمترین درجه حرارت در بین همه گازها است (پس از هلیوم در درجه دوم). هیدروژن مایع و جامد مواد بسیار سبک و بی رنگ هستند.

اکسیژن- گازی بی رنگ، بی مزه و بی بو، کمی سنگین تر از هوا. در دمای -182.9 درجه سانتیگراد به مایع آبی سنگین تبدیل می شود، در -218 درجه سانتیگراد با تشکیل بلورهای آبی جامد می شود. مولکول های اکسیژن پارامغناطیس هستند، به این معنی که اکسیژن به یک آهنربا جذب می شود. اکسیژن در آب کم محلول است.

بر خلاف هیدروژن که تنها یک نوع مولکول را تشکیل می دهد، اکسیژن آلوتروپی را نشان می دهد و مولکول های دو نوع را تشکیل می دهد، یعنی عنصر اکسیژن دو ماده ساده را تشکیل می دهد: اکسیژن و ازن.

خواص شیمیایی و تهیه مواد ساده

هیدروژن.

پیوند موجود در مولکول هیدروژن یک پیوند منفرد است، اما یکی از قوی ترین پیوندهای منفرد در طبیعت است و برای شکستن آن نیاز به صرف انرژی زیادی است، به همین دلیل هیدروژن در دمای اتاق بسیار غیرفعال است، اما با افزایش دما (یا در حضور یک کاتالیزور) هیدروژن به راحتی با بسیاری از مواد ساده و پیچیده تعامل می کند.

از دیدگاه شیمیایی، هیدروژن یک غیر فلز معمولی است. یعنی قادر است با فلزات فعال برهمکنش کند و هیدریدها را تشکیل دهد که در آن حالت اکسیداسیون -1 را نشان می دهد. با برخی از فلزات (لیتیوم، کلسیم)، تعامل حتی در دمای اتاق اتفاق می افتد، اما به آرامی، بنابراین از گرمایش در سنتز هیدریدها استفاده می شود:

,

.

تشکیل هیدریدها با برهمکنش مستقیم مواد ساده فقط برای فلزات فعال امکان پذیر است. آلومینیوم دیگر به طور مستقیم با هیدروژن برهمکنش نمی کند، هیدرید آن از واکنش های تبادلی به دست می آید.

هیدروژن نیز با غیر فلزات تنها زمانی واکنش می دهد که گرم شود. استثناها عبارتند از هالوژن های کلر و برم که واکنش با آنها می تواند توسط نور القا شود:

.

واکنش با فلوئور نیز نیازی به گرمایش ندارد، حتی با خنک شدن شدید و در تاریکی مطلق به صورت انفجاری ادامه می یابد.

واکنش با اکسیژن در امتداد مکانیسم زنجیره ای منشعب ادامه می یابد، بنابراین سرعت واکنش به سرعت افزایش می یابد، و در مخلوطی از اکسیژن و هیدروژن به نسبت 1: 2، واکنش با یک انفجار ادامه می یابد (به چنین مخلوطی "گاز انفجاری" می گویند. ):

.

واکنش با گوگرد بسیار آرام تر و عملاً بدون تولید گرما ادامه می یابد:

.

واکنش با نیتروژن و ید برگشت پذیر است:

,

.

این شرایط به دست آوردن آمونیاک در صنعت را بسیار دشوار می کند: این فرآیند نیاز به استفاده از فشار افزایش یافته برای مخلوط کردن تعادل به سمت تشکیل آمونیاک دارد. یدید هیدروژن با سنتز مستقیم به دست نمی آید، زیرا چندین روش بسیار راحت تر برای سنتز آن وجود دارد.

هیدروژن مستقیماً با نافلزات کم فعال واکنش نمی دهد، اگرچه ترکیبات آن با آنها شناخته شده است.

در واکنش با مواد پیچیده، هیدروژن در بیشتر موارد به عنوان یک عامل کاهنده عمل می کند. در محلول‌ها، هیدروژن می‌تواند فلزات کم‌فعال (که بعد از هیدروژن در سری ولتاژ قرار دارند) را از نمک‌هایشان کاهش دهد:

هنگامی که هیدروژن گرم می شود، می تواند بسیاری از فلزات را از اکسیدهای آنها کاهش دهد. علاوه بر این، هرچه فلز فعال تر باشد، بازیابی آن دشوارتر است و دمای مورد نیاز برای این کار بالاتر می رود:

.

فلزات فعال تر از روی تقریباً غیرممکن است که با هیدروژن احیا شوند.

هیدروژن در آزمایشگاه از واکنش فلزات با اسیدهای قوی تولید می شود. متداول ترین آنها روی و اسید هیدروکلریک هستند:

الکترولیز آب در حضور الکترولیت های قوی کمتر مورد استفاده قرار می گیرد:

در صنعت، هیدروژن به عنوان یک محصول جانبی هنگام تولید هیدروکسید سدیم با الکترولیز محلول کلرید سدیم به دست می آید:

علاوه بر این، هیدروژن از پالایش نفت به دست می آید.

تولید هیدروژن با فوتولیز آب یکی از امیدوارکننده ترین روش ها در آینده است، اما در حال حاضر کاربرد صنعتی این روش دشوار است.

کار با مواد منابع آموزشی الکترونیکی کار آزمایشگاهی "تولید و خواص هیدروژن" و کار آزمایشگاهی "کاهش خواص هیدروژن". اصل عملکرد دستگاه کیپ و دستگاه کیریوشکین را مطالعه کنید. به این فکر کنید که در چه مواردی استفاده از دستگاه کیپ راحت تر است و در چه مواردی استفاده از دستگاه کیریوشکین راحت تر است. هیدروژن در واکنش ها چه خواصی از خود نشان می دهد؟

اکسیژن.

پیوند موجود در مولکول اکسیژن دو برابر و بسیار قوی است. بنابراین، اکسیژن در دمای اتاق نسبتاً غیرفعال است. با این حال، هنگامی که گرم می شود، شروع به نشان دادن خواص اکسید کننده قوی می کند.

اکسیژن بدون گرم کردن با فلزات فعال (قلیایی، خاک قلیایی و برخی لانتانیدها) واکنش می دهد:

هنگامی که گرم می شود، اکسیژن با اکثر فلزات واکنش داده و اکسیدهایی را تشکیل می دهد:

,

,

.

نقره و فلزات کمتر فعال با اکسیژن اکسید نمی شوند.

اکسیژن همچنین با اکثر نافلزات واکنش می دهد و اکسیدهایی را تشکیل می دهد:

,

,

.

برهمکنش با نیتروژن تنها در دماهای بسیار بالا، حدود 2000 درجه سانتیگراد رخ می دهد.

اکسیژن با کلر، برم و ید واکنش نمی دهد، اگرچه بسیاری از اکسیدهای آنها را می توان به طور غیر مستقیم به دست آورد.

برهمکنش اکسیژن با فلوئور را می توان با عبور تخلیه الکتریکی از مخلوطی از گازها انجام داد:

.

فلوراید اکسیژن (II) یک ترکیب ناپایدار است، به راحتی تجزیه می شود و یک عامل اکسید کننده بسیار قوی است.

در محلول ها، اکسیژن یک عامل اکسید کننده قوی، هرچند کند، است. به عنوان یک قاعده، اکسیژن انتقال فلزات را به حالت های اکسیداسیون بالاتر ترویج می کند:

وجود اکسیژن اغلب به فلزات واقع در پشت هیدروژن در سری ولتاژ اجازه می دهد تا در اسیدها حل شوند:

هنگامی که اکسیژن گرم می شود، می تواند اکسیدهای فلزی پایین تر را اکسید کند:

.

اکسیژن در صنعت با روش های شیمیایی به دست نمی آید، بلکه از طریق تقطیر از هوا به دست می آید.

در آزمایشگاه، آنها از واکنش های تجزیه ترکیبات غنی از اکسیژن - نیترات ها، کلرات ها، پرمنگنات ها هنگام گرم شدن استفاده می کنند:

شما همچنین می توانید اکسیژن را از طریق تجزیه کاتالیستی پراکسید هیدروژن بدست آورید:

علاوه بر این، از واکنش الکترولیز آب فوق می توان برای تولید اکسیژن استفاده کرد.

کار با مواد منبع آموزشی الکترونیکی کار آزمایشگاهی "تولید اکسیژن و خواص آن".

نام روش جمع آوری اکسیژن مورد استفاده در کارهای آزمایشگاهی چیست؟ چه روش های دیگری برای جمع آوری گازها وجود دارد و کدام یک از آنها برای جمع آوری اکسیژن مناسب است؟

وظیفه 1. کلیپ ویدیویی "تجزیه پرمنگنات پتاسیم هنگام گرم شدن" را تماشا کنید.

به سوالات پاسخ دهید:

1. 1. کدام یک از محصولات واکنش جامد در آب محلول است؟
   2. محلول پرمنگنات پتاسیم چه رنگی است؟
   3. محلول منگنات پتاسیم چه رنگی است؟

معادلات واکنش های رخ داده را بنویسید. آنها را با استفاده از روش تراز الکترونیکی متعادل کنید.

تکلیف را با معلم خود در اتاق ویدیو یا در آن بحث کنید.

ازن.

مولکول ازن سه اتمی است و پیوندهای موجود در آن نسبت به مولکول اکسیژن قوی تر است، که منجر به فعالیت شیمیایی بیشتر ازن می شود: ازن به راحتی بسیاری از مواد را در محلول ها یا به صورت خشک بدون حرارت اکسید می کند:

ازن می تواند به راحتی اکسید نیتروژن (IV) را به اکسید نیتروژن (V) و اکسید گوگرد (IV) را به اکسید گوگرد (VI) بدون کاتالیزور اکسید کند:

ازن به تدریج تجزیه می شود و اکسیژن تشکیل می شود:

برای تولید ازن، از دستگاه های خاصی استفاده می شود - ازن سازها، که در آن تخلیه درخشان از طریق اکسیژن عبور می کند.

در آزمایشگاه، برای به دست آوردن مقادیر کمی ازن، گاهی اوقات از واکنش های تجزیه ترکیبات پراکسو و برخی اکسیدهای بالاتر هنگام گرم شدن استفاده می شود:

کار با مواد منبع آموزشی الکترونیکی کار آزمایشگاهی "تولید اوزون و مطالعه خواص آن".

توضیح دهید که چرا محلول نیل تغییر رنگ می دهد. معادلات واکنش هایی را که هنگام مخلوط شدن محلول های نیترات سرب و سولفید سدیم و عبور هوای اوزون شده از سوسپانسیون حاصل رخ می دهد، بنویسید. معادلات یونی واکنش تبادل یونی را بنویسید. برای واکنش ردوکس، تعادل الکترونی ایجاد کنید.

تکلیف را با معلم خود در اتاق ویدیو یا در آن بحث کنید.

خواص شیمیایی آب

برای آشنایی بهتر با خواص فیزیکی آب و اهمیت آن، با مواد منابع آموزشی الکترونیکی "خواص غیرعادی آب" و "آب مهمترین مایع روی زمین است" کار کنید.

آب برای همه موجودات زنده اهمیت زیادی دارد - در واقع، بسیاری از موجودات زنده از بیش از نیمی از آب تشکیل شده اند. آب یکی از جهانی ترین حلال ها است (در دماها و فشارهای بالا قابلیت آن به عنوان حلال به میزان قابل توجهی افزایش می یابد). از دیدگاه شیمیایی، آب یک اکسید هیدروژن است و در یک محلول آبی (البته به میزان بسیار کمی) به کاتیون های هیدروژن و آنیون های هیدروکسید تجزیه می شود:

.

آب با بسیاری از فلزات واکنش نشان می دهد. آب با فعال (قلیایی، خاکی قلیایی و برخی از لانتانیدها) بدون گرم شدن واکنش می دهد:

تعامل با آنهایی که کمتر فعال هستند هنگام گرم شدن رخ می دهد.

در جدول تناوبی، هیدروژن در دو گروه از عناصر قرار گرفته است که از نظر خواص کاملاً متضاد هستند. این ویژگی آن را کاملا منحصر به فرد می کند. هیدروژن فقط یک عنصر یا ماده نیست، بلکه بخشی جدایی ناپذیر از بسیاری از ترکیبات پیچیده، یک عنصر آلی و بیوژنیک است. بنابراین، بیایید به خواص و ویژگی های آن با جزئیات بیشتری نگاه کنیم.

انتشار گازهای قابل اشتعال در هنگام برهمکنش فلزات و اسیدها در قرن شانزدهم، یعنی در طول شکل گیری شیمی به عنوان یک علم، مشاهده شد. دانشمند معروف انگلیسی هنری کاوندیش این ماده را در سال 1766 مطالعه کرد و نام آن را "هوای قابل احتراق" گذاشت. این گاز هنگام سوختن آب تولید می کرد. متأسفانه، پایبندی دانشمند به نظریه فلوژیستون (فرضی "ماده فوق ریز") مانع از رسیدن او به نتایج درست شد.

شیمیدان و طبیعت شناس فرانسوی A. Lavoisier به همراه مهندس J. Meunier و با کمک گازسنج های مخصوص در سال 1783 آب را سنتز کردند و سپس آن را از طریق تجزیه بخار آب با آهن داغ تجزیه و تحلیل کردند. بنابراین دانشمندان توانستند به نتایج درستی برسند. آنها دریافتند که "هوای قابل احتراق" نه تنها بخشی از آب است، بلکه می توان از آن نیز به دست آورد.

در سال 1787، لاووازیه پیشنهاد کرد که گاز مورد مطالعه یک ماده ساده است و بر این اساس، به تعداد عناصر شیمیایی اولیه تعلق دارد. او آن را هیدروژن (از کلمات یونانی هیدور - آب + جنائو - من به دنیا می‌آورم) نامیده است، یعنی "آب زایید".

نام روسی "هیدروژن" در سال 1824 توسط شیمیدان M. Soloviev پیشنهاد شد. تعیین ترکیب آب پایان "نظریه فلوژیستون" را نشان داد. در آغاز قرن 18 و 19 مشخص شد که اتم هیدروژن بسیار سبک است (در مقایسه با اتم های سایر عناصر) و جرم آن به عنوان واحد اصلی برای مقایسه جرم اتمی با دریافت مقداری برابر با 1 در نظر گرفته شد.

مشخصات فیزیکی

هیدروژن سبک ترین ماده شناخته شده برای علم است (14.4 برابر سبکتر از هوا است)، چگالی آن 0.0899 گرم در لیتر (1 اتمسفر، 0 درجه سانتیگراد) است. این ماده به ترتیب در دمای 259.1- و 252.8- درجه سانتیگراد ذوب می شود (جامد می شود) و می جوشد (مایع می شود).

دمای بحرانی هیدروژن بسیار پایین است (-240 درجه سانتیگراد). به همین دلیل، مایع سازی آن یک فرآیند نسبتاً پیچیده و پرهزینه است. فشار بحرانی ماده 12.8 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع و چگالی بحرانی 0.0312 گرم بر سانتی‌متر مربع است. در میان همه گازها، هیدروژن بالاترین رسانایی حرارتی را دارد: در 1 اتمسفر و 0 درجه سانتیگراد برابر با 0.174 W/(mxK) است.

ظرفیت گرمایی ویژه ماده در شرایط یکسان 14.208 kJ/(kgxK) یا 3.394 cal/(rx°C) است. این عنصر کمی در آب حل می شود (حدود 0.0182 میلی لیتر بر گرم در 1 اتمسفر و 20 درجه سانتی گراد)، اما در اکثر فلزات (نیکل، پلاتین، پاس و غیره) به خوبی محلول است، به ویژه در پالادیوم (حدود 850 حجم در هر حجم Pd). .

خاصیت اخیر با توانایی انتشار آن مرتبط است و انتشار از طریق یک آلیاژ کربن (مثلاً فولاد) می تواند با تخریب آلیاژ به دلیل برهمکنش هیدروژن با کربن همراه باشد (به این فرآیند کربن زدایی می گویند). در حالت مایع، این ماده بسیار سبک است (چگالی - 0.0708 g/cm³ در t ° = -253 ° C) و سیال (ویسکوزیته - 13.8 spoise در شرایط یکسان).

در بسیاری از ترکیبات، این عنصر مانند سدیم و سایر فلزات قلیایی یک ظرفیت +1 (حالت اکسیداسیون) نشان می دهد. معمولاً به عنوان آنالوگ این فلزات در نظر گرفته می شود. بر این اساس، او سرپرستی گروه اول نظام تناوبی را بر عهده دارد. در هیدریدهای فلزی، یون هیدروژن بار منفی از خود نشان می دهد (وضعیت اکسیداسیون 1- است)، یعنی Na+H- ساختاری شبیه به کلرید Na+Cl- دارد. مطابق با این و برخی واقعیت های دیگر (شباهت خواص فیزیکی عنصر "H" و هالوژن ها، توانایی جایگزینی آن با هالوژن در ترکیبات آلی)، هیدروژن در گروه VII سیستم تناوبی طبقه بندی می شود.

در شرایط عادی، هیدروژن مولکولی دارای فعالیت کم است و مستقیماً فقط با فعال ترین غیر فلزات (با فلوئور و کلر، با دومی در نور) ترکیب می شود. به نوبه خود، هنگامی که گرم می شود، با بسیاری از عناصر شیمیایی تعامل می کند.

هیدروژن اتمی فعالیت شیمیایی را افزایش داده است (در مقایسه با هیدروژن مولکولی). با اکسیژن آب را مطابق فرمول تشکیل می دهد:

Н2 + ½О2 = Н2О،

انتشار 285.937 کیلوژول بر مول گرما یا 68.3174 کیلوکالری در مول (25 درجه سانتی گراد، 1 اتمسفر). در شرایط دمایی معمولی، واکنش نسبتاً آهسته پیش می‌رود و در دمای 550 درجه سانتی‌گراد غیر قابل کنترل است. محدودیت های انفجاری مخلوط هیدروژن + اکسیژن بر حسب حجم 4-94٪ H2 و مخلوط هیدروژن + هوا 4-74٪ H2 است (مخلوطی از دو حجم H2 و یک حجم O2 را گاز انفجاری می نامند).

این عنصر برای کاهش بیشتر فلزات استفاده می شود، زیرا اکسیژن را از اکسیدها حذف می کند:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O،

CuO + H2 = Cu + H2O و غیره.

هیدروژن هالیدهای هیدروژن را با هالوژن های مختلف تشکیل می دهد، به عنوان مثال:

H2 + Cl2 = 2HCl.

با این حال، هنگام واکنش با فلوئور، هیدروژن منفجر می شود (این نیز در تاریکی، در -252 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد)، با برم و کلر تنها در هنگام گرم شدن یا روشن شدن، و با ید - فقط زمانی که گرم می شود، واکنش نشان می دهد. هنگام تعامل با نیتروژن، آمونیاک تشکیل می شود، اما فقط روی یک کاتالیزور، در فشارها و دماهای بالا:

ЗН2 + N2 = 2NN3.

هنگامی که گرم می شود، هیدروژن به طور فعال با گوگرد واکنش می دهد:

H2 + S = H2S (سولفید هیدروژن)،

و با تلوریم یا سلنیوم بسیار دشوارتر است. هیدروژن با کربن خالص بدون کاتالیزور، اما در دماهای بالا واکنش می دهد:

2H2 + C (آمورف) = CH4 (متان).

این ماده به طور مستقیم با برخی از فلزات (قلیایی، خاک قلیایی و غیره) واکنش می دهد و هیدریدها را تشکیل می دهد، به عنوان مثال:

H2 + 2Li = 2LiH.

برهمکنش های بین هیدروژن و مونوکسید کربن (II) از اهمیت عملی قابل توجهی برخوردار است. در این حالت، بسته به فشار، دما و کاتالیزور، ترکیبات آلی مختلفی تشکیل می شود: HCHO، CH3OH، و غیره.

С n Н2 n + Н2 = С n Н2 n ₊2.

هیدروژن و ترکیبات آن نقش استثنایی در شیمی دارند. این به اصطلاح خواص اسیدی را تعیین می کند. اسیدهای پروتیک تمایل به تشکیل پیوندهای هیدروژنی با عناصر مختلف دارند که تأثیر بسزایی بر خواص بسیاری از ترکیبات معدنی و آلی دارند.

تولید هیدروژن

انواع اصلی مواد اولیه برای تولید صنعتی این عنصر عبارتند از گازهای پالایش نفت، گازهای قابل احتراق طبیعی و گازهای کوره کک. همچنین از طریق الکترولیز (در مکان هایی که برق در دسترس است) از آب به دست می آید. یکی از مهم ترین روش های تولید مواد از گاز طبیعی، برهمکنش کاتالیستی هیدروکربن ها، عمدتاً متان، با بخار آب است (اصطلاحاً تبدیل). مثلا:

CH4 + H2O = CO + ZN2.

اکسیداسیون ناقص هیدروکربن ها با اکسیژن:

CH4 + ½O2 = CO + 2H2.

مونوکسید کربن سنتز شده (II) تحت تبدیل:

CO + H2O = CO2 + H2.

هیدروژن تولید شده از گاز طبیعی ارزان ترین است.

برای الکترولیز آب از جریان مستقیم استفاده می شود که از محلول NaOH یا KOH عبور می کند (از اسیدها برای جلوگیری از خوردگی تجهیزات استفاده نمی شود). در شرایط آزمایشگاهی، ماده با الکترولیز آب یا در نتیجه واکنش بین اسید کلریدریک و روی به دست می آید. با این حال، مواد کارخانه ای آماده در سیلندرها بیشتر استفاده می شود.

این عنصر با حذف سایر اجزای مخلوط گاز از گازهای پالایش نفت و گاز کوره کک جدا می شود، زیرا آنها در طول خنک شدن عمیق راحت تر مایع می شوند.

این ماده در اواخر قرن 18 شروع به تولید صنعتی کرد. در آن زمان از آن برای پر کردن بادکنک استفاده می شد. در حال حاضر، هیدروژن به طور گسترده در صنعت، عمدتا در صنایع شیمیایی، برای تولید آمونیاک استفاده می شود.

مصرف کنندگان انبوه این ماده تولید کنندگان متیل و سایر الکل ها، بنزین مصنوعی و بسیاری از محصولات دیگر هستند. آنها با سنتز از مونوکسید کربن (II) و هیدروژن به دست می آیند. هیدروژن برای هیدروژنه کردن سوخت‌های مایع سنگین و جامد، چربی‌ها و غیره، برای سنتز هیدروکلراید، هیدروتراسیون فرآورده‌های نفتی و همچنین در برش/جوشکاری فلزات استفاده می‌شود. مهمترین عناصر برای انرژی هسته ای ایزوتوپ های آن - تریتیوم و دوتریوم هستند.

نقش بیولوژیکی هیدروژن

حدود 10 درصد از جرم موجودات زنده (به طور متوسط) از این عنصر است. بخشی از آب و مهمترین گروه از ترکیبات طبیعی از جمله پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها و کربوهیدرات ها است. آن برای چه کاری استفاده می شود؟

این ماده نقش تعیین کننده ای دارد: در حفظ ساختار فضایی پروتئین ها (چهارتای)، در اجرای اصل مکمل بودن اسیدهای نوکلئیک (یعنی در اجرا و ذخیره اطلاعات ژنتیکی)، و به طور کلی در "تشخیص" در مولکولی. مرحله.

یون هیدروژن H+ در واکنش ها/فرآیندهای دینامیکی مهم در بدن شرکت می کند. از جمله: در اکسیداسیون بیولوژیکی که انرژی سلول های زنده را تامین می کند، در واکنش های بیوسنتز، در فتوسنتز در گیاهان، در فتوسنتز باکتری ها و تثبیت نیتروژن، در حفظ تعادل اسید و باز و هموستاز، در فرآیندهای انتقال غشایی. همراه با کربن و اکسیژن، اساس عملکردی و ساختاری پدیده های زندگی را تشکیل می دهد.

10.1. هیدروژن

نام «هیدروژن» هم به یک عنصر شیمیایی و هم به یک ماده ساده اشاره دارد. عنصر هیدروژناز اتم های هیدروژن تشکیل شده است. ماده ساده هیدروژناز مولکول های هیدروژن تشکیل شده است.

الف) عنصر شیمیایی هیدروژن

در سری طبیعی عناصر، شماره سریال هیدروژن 1 است. در سیستم عناصر، هیدروژن در اولین دوره در گروه IA یا VIIA قرار دارد.

هیدروژن یکی از رایج ترین عناصر روی زمین است. کسر مولی اتم های هیدروژن در جو، هیدروسفر و لیتوسفر زمین (که در مجموع پوسته زمین نامیده می شود) 0.17 است. در آب، بسیاری از مواد معدنی، نفت، گاز طبیعی، گیاهان و حیوانات یافت می شود. بدن انسان به طور متوسط ​​حدود 7 کیلوگرم هیدروژن دارد.

سه ایزوتوپ هیدروژن وجود دارد:
الف) هیدروژن سبک پروتیوم,
ب) هیدروژن سنگین – دوتریوم(د)
ج) هیدروژن فوق سنگین – تریتیوم(T).

تریتیوم یک ایزوتوپ ناپایدار (رادیواکتیو) است، بنابراین عملاً هرگز در طبیعت یافت نمی شود. دوتریوم پایدار است، اما مقدار بسیار کمی از آن وجود دارد: w D = 0.015٪ (از جرم تمام هیدروژن زمینی). بنابراین، جرم اتمی هیدروژن با 1 Dn (1.00794 Dn) تفاوت بسیار کمی دارد.

ب) اتم هیدروژن

از بخش های قبلی درس شیمی، ویژگی های زیر اتم هیدروژن را می دانید:

قابلیت های ظرفیت یک اتم هیدروژن با حضور یک الکترون در یک اوربیتال تک ظرفیتی تعیین می شود. انرژی یونیزاسیون بالا باعث می شود اتم هیدروژن تمایلی به رها کردن الکترون نداشته باشد و انرژی میل ترکیبی نه چندان زیاد الکترون منجر به تمایل جزئی به پذیرش الکترون می شود. در نتیجه، در سیستم های شیمیایی تشکیل کاتیون H غیرممکن است و ترکیبات با آنیون H چندان پایدار نیستند. بنابراین، اتم هیدروژن به دلیل داشتن یک الکترون جفت نشده، به احتمال زیاد با اتم های دیگر پیوند کووالانسی تشکیل می دهد. هم در مورد تشکیل آنیون و هم در مورد تشکیل پیوند کووالانسی، اتم هیدروژن تک ظرفیتی است.
در یک ماده ساده، حالت اکسیداسیون اتم‌های هیدروژن صفر است؛ در اکثر ترکیبات، هیدروژن حالت اکسیداسیون +I را نشان می‌دهد و تنها در هیدریدهایی که کمترین عنصر الکترومنفی را دارند، هیدروژن حالت اکسیداسیون -I دارد.
اطلاعات در مورد قابلیت های ظرفیت اتم هیدروژن در جدول 28 آورده شده است. وضعیت ظرفیت یک اتم هیدروژن که با یک پیوند کووالانسی به هر اتمی متصل است در جدول با نماد "H-" نشان داده شده است.

جدول 28.احتمالات ظرفیت اتم هیدروژن

وضعیت ظرفیت				نمونه هایی از مواد شیمیایی
			من 0 -من	HCl، H2O، H2S، NH3، CH4، C2H6، NH4Cl، H2SO4، NaHCO3، KOH H 2 B 2 H 6 ، SiH 4 ، GeH 4
				NaH، KH، CaH 2، BaH 2

ج) مولکول هیدروژن

مولکول هیدروژن دو اتمی H2 زمانی تشکیل می شود که اتم های هیدروژن با تنها پیوند کووالانسی ممکن برای آنها پیوند برقرار کنند. اتصال توسط یک مکانیسم تبادل شکل می گیرد. با توجه به نحوه همپوشانی ابرهای الکترونی، این یک پیوند s است (شکل 10.1 آ). از آنجایی که اتم ها یکسان هستند، پیوند غیر قطبی است.

فاصله بین اتمی (به طور دقیق تر، فاصله بین اتمی تعادل، زیرا اتم ها ارتعاش می کنند) در یک مولکول هیدروژن r(H–H) = 0.74 A (شکل 10.1 V) که به طور قابل توجهی کمتر از مجموع شعاع های مداری (1.06 A) است. در نتیجه، ابرهای الکترونی اتم‌های پیوندی عمیقاً همپوشانی دارند (شکل 10.1). ب) و پیوند در مولکول هیدروژن قوی است. این نیز با مقدار نسبتاً بالای انرژی اتصال (454 کیلوژول بر مول) نشان داده می شود.
اگر شکل مولکول را با سطح مرزی مشخص کنیم (شبیه به سطح مرزی ابر الکترونی)، آنگاه می توان گفت که مولکول هیدروژن شکل یک توپ کمی تغییر شکل (کشیده) دارد (شکل 10.1). جی).

د) هیدروژن (ماده)

در شرایط عادی، هیدروژن گازی بی رنگ و بی بو است. در مقادیر کم غیر سمی است. هیدروژن جامد در دمای 14 کلوین (259- درجه سانتیگراد) ذوب می شود و هیدروژن مایع در دمای 20 کلوین (253- درجه سانتیگراد) می جوشد. نقطه ذوب و جوش پایین، محدوده دمایی بسیار کم برای وجود هیدروژن مایع (فقط 6 درجه سانتیگراد)، و همچنین مقادیر کمی از گرمای مولی همجوشی (0.117 کیلوژول در مول) و تبخیر (0.903 کیلوژول بر مول). ) نشان می دهد که پیوندهای بین مولکولی در هیدروژن بسیار ضعیف است.
چگالی هیدروژن r(H 2) = (2 g/mol): (22.4 l/mol) = 0.0893 g/l. برای مقایسه: میانگین چگالی هوا 1.29 گرم در لیتر است. یعنی هیدروژن 14.5 برابر "سبک تر" از هوا است. عملاً در آب نامحلول است.
در دمای اتاق، هیدروژن غیر فعال است، اما هنگامی که گرم می شود با بسیاری از مواد واکنش می دهد. در این واکنش ها، اتم های هیدروژن می توانند حالت اکسیداسیون خود را افزایش یا کاهش دهند: H 2 + 2 ه– = 2Н –I، Н 2 – 2 ه– = 2N +I.
در حالت اول، هیدروژن یک عامل اکسید کننده است، به عنوان مثال، در واکنش با سدیم یا کلسیم: 2Na + H 2 = 2NaH، ( تی) Ca + H 2 = CaH 2 . ( تی)
اما خواص کاهشی هیدروژن مشخص تر است: O 2 + 2H 2 = 2H 2 O، ( تی)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( تی)
هنگامی که گرم می شود، هیدروژن نه تنها توسط اکسیژن، بلکه توسط برخی از غیر فلزات دیگر، به عنوان مثال، فلوئور، کلر، گوگرد و حتی نیتروژن اکسید می شود.
در آزمایشگاه، هیدروژن در نتیجه واکنش تولید می شود

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.

به جای روی می توان از آهن، آلومینیوم و برخی فلزات دیگر و به جای اسید سولفوریک از برخی اسیدهای رقیق دیگر استفاده کرد. هیدروژن حاصل در یک لوله آزمایش با جابجایی آب جمع آوری می شود (شکل 10.2 را ببینید. ب) یا به سادگی در یک فلاسک معکوس (شکل 10.2 آ).

در صنعت، هیدروژن در مقادیر زیادی از گاز طبیعی (عمدتاً متان) با واکنش آن با بخار آب در دمای 800 درجه سانتیگراد در حضور کاتالیزور نیکل تولید می شود:

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ( تی، نی)

یا زغال سنگ را در دمای بالا با بخار آب تصفیه کنید:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( تی)

هیدروژن خالص از آب با تجزیه آن با جریان الکتریکی (در معرض الکترولیز) به دست می آید:

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (الکترولیز).

ه) ترکیبات هیدروژنی

هیدریدها (ترکیبات دوتایی حاوی هیدروژن) به دو نوع اصلی تقسیم می شوند:
الف) فرار هیدریدهای (مولکولی)،
ب) هیدریدهای نمک مانند (یونی).
عناصر گروه IVA – VIIA و بور هیدریدهای مولکولی را تشکیل می دهند. از این میان، فقط هیدریدهای عناصر تشکیل دهنده نافلزات پایدار هستند:

B 2 H 6 ؛ CH 4 . NH3; H2O; HF
SiH 4 ;PH 3 ; H2S; HCl
AsH3; H2Se; HBr
H2Te; سلام
به استثنای آب، همه این ترکیبات در دمای اتاق مواد گازی هستند، از این رو نام آنها - "هیدریدهای فرار" است.
برخی از عناصر تشکیل دهنده نافلزات نیز در هیدریدهای پیچیده تر یافت می شوند. به عنوان مثال، کربن ترکیباتی با فرمول کلی C را تشکیل می دهد n H 2 n+2، C n H 2 n، سی n H 2 n-2 و دیگران، جایی که nمی تواند بسیار بزرگ باشد (این ترکیبات در شیمی آلی مورد مطالعه قرار می گیرند).
هیدریدهای یونی شامل هیدریدهای قلیایی، عناصر قلیایی خاکی و منیزیم هستند. بلورهای این هیدریدها از آنیون های H و کاتیون های فلزی در بالاترین حالت اکسیداسیون Me یا Me 2 (بسته به گروه سیستم عنصر) تشکیل شده است.

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

هم هیدریدهای یونی و هم تقریباً همه هیدریدهای مولکولی (به جز H2O و HF) عوامل کاهنده هستند، اما هیدریدهای یونی خواص کاهشی بسیار قوی‌تری نسبت به هیدریدهای مولکولی از خود نشان می‌دهند.
علاوه بر هیدریدها، هیدروژن بخشی از هیدروکسیدها و برخی نمکها است. در فصل های بعدی با خواص این ترکیبات هیدروژنی پیچیده تر آشنا خواهید شد.
مصرف کنندگان اصلی هیدروژن تولید شده در صنعت، کارخانه هایی برای تولید کودهای آمونیاک و نیتروژن هستند که آمونیاک مستقیماً از نیتروژن و هیدروژن به دست می آید:

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( آر, تی، Pt - کاتالیزور).

هیدروژن در مقادیر زیاد برای تولید متیل الکل (متانول) با واکنش 2H 2 + CO = CH 3 OH ( تی، ZnO – کاتالیزور) و همچنین در تولید کلرید هیدروژن که مستقیماً از کلر و هیدروژن به دست می آید:

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

گاهی اوقات هیدروژن در متالورژی به عنوان یک عامل کاهنده در تولید فلزات خالص استفاده می شود، به عنوان مثال: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.

1. هسته های الف) پروتیوم، ب) دوتریوم، ج) تریتیوم از چه ذرات تشکیل شده است؟
2-انرژی یونیزاسیون اتم هیدروژن را با انرژی یونیزاسیون اتم های سایر عناصر مقایسه کنید. هیدروژن از نظر این ویژگی به کدام عنصر نزدیکتر است؟
3. همین کار را برای انرژی میل ترکیبی الکترون انجام دهید
4. جهت قطبش پیوند کووالانسی و درجه اکسیداسیون هیدروژن را در ترکیبات مقایسه کنید: الف) BeH 2، CH 4، NH 3، H 2 O، HF. ب) CH 4، SiH 4، GeH 4.
5. ساده ترین فرمول مولکولی، ساختاری و مکانی هیدروژن را بنویسید. کدام یک بیشتر استفاده می شود؟
6. اغلب می گویند: "هیدروژن از هوا سبک تر است." این یعنی چی؟ در چه مواردی می توان این عبارت را تحت اللفظی گرفت و در چه مواردی نمی تواند؟
7. فرمول های ساختاری هیدریدهای پتاسیم و کلسیم و همچنین آمونیاک، سولفید هیدروژن و هیدروژن برومید را بسازید.
8. با دانستن گرمای مولی ذوب و تبخیر هیدروژن، مقادیر کمیت های خاص مربوطه را تعیین کنید.
9. برای هر یک از چهار واکنشی که خواص شیمیایی پایه هیدروژن را نشان می دهد، یک تعادل الکترونیکی ایجاد کنید. عوامل اکسید کننده و کاهنده را برچسب بزنید.
10. جرم روی مورد نیاز برای تولید 4.48 لیتر هیدروژن را با روش آزمایشگاهی تعیین کنید.
11. جرم و حجم هیدروژنی را که می توان از 30 متر مکعب مخلوط متان و بخار آب به نسبت حجمی 1:2 با بازده 80 درصد بدست آورد، تعیین کنید.
12. برای واکنش هایی که در جریان برهمکنش هیدروژن a) با فلوئور، ب) با گوگرد رخ می دهد، معادلات بسازید.
13. طرح های واکنش زیر خواص شیمیایی پایه هیدریدهای یونی را نشان می دهد:

الف) MH + O 2 MOH ( تی) ب) MH + Cl 2 MCl + HCl ( تی);
ج) MH + H 2 O MOH + H 2 ; د) MH + HCl (p) MCl + H 2
در اینجا M لیتیوم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم یا سزیم است. اگر M سدیم باشد معادلات واکنش های مربوطه را بنویسید. خواص شیمیایی هیدرید کلسیم را با استفاده از معادلات واکنش نشان دهید.
14. با استفاده از روش موازنه الکترون، معادلاتی برای واکنش های زیر ایجاد کنید که خواص کاهشی برخی از هیدریدهای مولکولی را نشان می دهد:
الف) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( تی) ب) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( تی) ج) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( تی).

10.2 اکسیژن

مانند هیدروژن، کلمه "اکسیژن" هم نام یک عنصر شیمیایی و هم یک ماده ساده است. جدا از موضوع ساده" اکسیژن"(دی‌اکسیژن) عنصر شیمیایی اکسیژن، ماده ساده دیگری به نام « ازن"(تری اکسیژن). اینها تغییرات آلوتروپیک اکسیژن هستند. ماده اکسیژن از مولکول های اکسیژن O 2 و ماده ازن از مولکول های ازن O 3 تشکیل شده است.

الف) عنصر شیمیایی اکسیژن

در سری عناصر طبیعی، شماره سریال اکسیژن 8 است. در سیستم عناصر، اکسیژن در دوره دوم در گروه VIA قرار دارد.
اکسیژن فراوان ترین عنصر روی زمین است. در پوسته زمین، هر اتم دوم یک اتم اکسیژن است، یعنی کسر مولی اکسیژن در جو، هیدروسفر و لیتوسفر زمین حدود 50 درصد است. اکسیژن (ماده) جزئی از هوا است. کسر حجمی اکسیژن در هوا 21 درصد است. اکسیژن (یک عنصر) در آب، بسیاری از مواد معدنی و گیاهان و حیوانات یافت می شود. بدن انسان به طور متوسط ​​43 کیلوگرم اکسیژن دارد.
اکسیژن طبیعی از سه ایزوتوپ (16 O، 17 O و 18 O) تشکیل شده است که سبک ترین ایزوتوپ 16 O رایج ترین آنهاست بنابراین جرم اتمی اکسیژن نزدیک به 16 Dn (15.9994 Dn) است.

ب) اتم اکسیژن

ویژگی های زیر اتم اکسیژن را می دانید.

جدول 29.احتمالات ظرفیت اتم اکسیژن

وضعیت ظرفیت				نمونه هایی از مواد شیمیایی
				Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 *
			-II -من 0 +من +II	H 2 O ، SO 2 ، SO 3 ، CO 2 ، SiO 2 ، H 2 SO 4 ، HNO 2 ، HClO 4 ، COCl 2 ، H 2 O 2 O2** O2F2 از 2
				NaOH، KOH، Ca(OH) 2، Ba(OH) 2 Na 2 O 2، K 2 O 2، CaO 2، BaO 2
				Li 2 O ، Na 2 O ، MgO ، CaO ، BaO ، FeO ، La 2 O 3

* این اکسیدها را می توان به عنوان ترکیبات یونی نیز در نظر گرفت.
** اتم های اکسیژن در مولکول در این حالت ظرفیت نیستند. این فقط یک نمونه از یک ماده با حالت اکسیداسیون اتم های اکسیژن برابر با صفر است
انرژی یونیزاسیون بالا (مانند هیدروژن) از تشکیل یک کاتیون ساده از اتم اکسیژن جلوگیری می کند. انرژی میل ترکیبی الکترون بسیار زیاد است (تقریباً دو برابر هیدروژن)، که میل بیشتری را برای اتم اکسیژن برای به دست آوردن الکترون و توانایی تشکیل آنیون های O 2A فراهم می کند. اما انرژی میل ترکیبی الکترون اتم اکسیژن هنوز کمتر از اتم های هالوژن و حتی سایر عناصر گروه VIA است. بنابراین، آنیون های اکسیژن ( یون های اکسید) فقط در ترکیبات اکسیژن با عناصری وجود دارد که اتم‌های آن‌ها به راحتی الکترون‌ها را از دست می‌دهند.
با به اشتراک گذاشتن دو الکترون جفت نشده، یک اتم اکسیژن می تواند دو پیوند کووالانسی ایجاد کند. دو جفت الکترون تنها، به دلیل عدم امکان تحریک، فقط می توانند وارد برهمکنش دهنده و گیرنده شوند. بنابراین، بدون در نظر گرفتن تعدد پیوند و هیبریداسیون، اتم اکسیژن می تواند در یکی از پنج حالت ظرفیت باشد (جدول 29).
معمولی ترین حالت ظرفیت برای اتم اکسیژن است دبلیو k = 2، یعنی تشکیل دو پیوند کووالانسی به دلیل دو الکترون جفت نشده.
الکترونگاتیوی بسیار بالای اتم اکسیژن (بیشتر فقط برای فلوئور) منجر به این واقعیت می شود که در اکثر ترکیبات آن اکسیژن حالت اکسیداسیون -II دارد. موادی وجود دارند که در آنها اکسیژن حالت های اکسیداسیون دیگری را نشان می دهد، برخی از آنها در جدول 29 به عنوان مثال آورده شده است و پایداری مقایسه ای در شکل نشان داده شده است. 10.3.

ج) مولکول اکسیژن

به طور تجربی ثابت شده است که مولکول اکسیژن دو اتمی O 2 حاوی دو الکترون جفت نشده است. با استفاده از روش پیوند ظرفیت نمی توان این ساختار الکترونیکی این مولکول را توضیح داد. با این حال، خواص پیوند در مولکول اکسیژن نزدیک به یک پیوند کووالانسی است. مولکول اکسیژن غیر قطبی است. فاصله بین اتمی ( r o-o = 1.21 A = 121 نانومتر) کمتر از فاصله بین اتم های متصل شده توسط یک پیوند است. انرژی اتصال مولی بسیار زیاد است و به 498 کیلوژول بر مول می رسد.

د) اکسیژن (ماده)

در شرایط عادی، اکسیژن گازی بی رنگ و بی بو است. اکسیژن جامد در دمای 55 کلوین (218- درجه سانتیگراد) ذوب می شود و اکسیژن مایع در دمای 90 کلوین (183- درجه سانتیگراد) می جوشد.
پیوندهای بین مولکولی در اکسیژن جامد و مایع تا حدودی قوی تر از هیدروژن هستند، همانطور که با محدوده دمایی بیشتر وجود اکسیژن مایع (36 درجه سانتیگراد) و گرمای مولی بزرگتر همجوشی (0.446 کیلوژول بر مول) و تبخیر (6.83 کیلوژول) مشهود است. /mol).
اکسیژن کمی در آب محلول است: در دمای 0 درجه سانتی گراد، تنها 5 حجم اکسیژن (گاز!) در 100 حجم آب (مایع!) حل می شود.
تمایل زیاد اتم‌های اکسیژن برای به دست آوردن الکترون و الکترونگاتیوی بالا منجر به این واقعیت می‌شود که اکسیژن فقط خواص اکسید کننده را از خود نشان می‌دهد. این خواص به ویژه در دماهای بالا مشخص می شود.
اکسیژن با بسیاری از فلزات واکنش می دهد: 2Ca + O 2 = 2CaO، 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( تی);
غیر فلزات: C + O 2 = CO 2، P 4 + 5O 2 = P 4 O 10،
و مواد پیچیده: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O، 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2.

اغلب، در نتیجه چنین واکنش هایی، اکسیدهای مختلفی به دست می آید (به فصل II § 5 مراجعه کنید)، اما فلزات قلیایی فعال، به عنوان مثال سدیم، هنگام سوزاندن به پراکسید تبدیل می شوند:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

فرمول ساختاری پراکسید سدیم حاصل (Na) 2 (O-O) است.
یک ترکش در حال سوختن که در اکسیژن قرار می گیرد، شعله می کشد. این یک راه راحت و آسان برای تشخیص اکسیژن خالص است.
در صنعت، اکسیژن از هوا با یکسوسازی (تقطیر پیچیده) و در آزمایشگاه - با قرار دادن برخی ترکیبات حاوی اکسیژن در معرض تجزیه حرارتی به دست می آید، به عنوان مثال:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 درجه سانتیگراد).
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 درجه سانتیگراد، MnO 2 - کاتالیزور).
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 درجه سانتیگراد)
و علاوه بر این، با تجزیه کاتالیستی پراکسید هیدروژن در دمای اتاق: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (کاتالیزور MnO 2).
از اکسیژن خالص در صنعت برای تشدید فرآیندهایی که در آن اکسیداسیون رخ می دهد و ایجاد شعله با دمای بالا استفاده می شود. در فناوری موشک، از اکسیژن مایع به عنوان اکسید کننده استفاده می شود.
اکسیژن برای حفظ حیات گیاهان، حیوانات و انسان ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در شرایط عادی، انسان اکسیژن کافی در هوا برای تنفس دارد. اما در شرایطی که هوای کافی وجود ندارد و یا اصلاً هوا وجود ندارد (در هواپیماها، در حین غواصی، در سفینه های فضایی و غیره) مخلوط های گازی مخصوص حاوی اکسیژن برای تنفس آماده می شود. از اکسیژن در پزشکی برای بیماری هایی که باعث مشکل در تنفس می شوند نیز استفاده می شود.

ه) ازن و مولکول های آن

ازن O 3 دومین تغییر آلوتروپیک اکسیژن است.
مولکول ازن سه اتمی دارای یک ساختار گوشه ای است که در حد واسط بین دو ساختار است که با فرمول های زیر نشان داده شده است:

ازن یک گاز آبی تیره با بوی تند است. به دلیل فعالیت اکسید کننده قوی، سمی است. ازن یک و نیم برابر "سنگین"تر از اکسیژن است و کمی بیشتر از اکسیژن در آب محلول است.
ازن در اتمسفر از اکسیژن در طی تخلیه الکتریکی رعد و برق تشکیل می شود:

3O 2 = 2O 3 ().

در دمای معمولی، ازن به آرامی به اکسیژن تبدیل می شود و هنگامی که گرم می شود، این فرآیند به صورت انفجاری رخ می دهد.
ازن در به اصطلاح "لایه اوزون" جو زمین وجود دارد و از تمام زندگی روی زمین در برابر اثرات مضر تشعشعات خورشیدی محافظت می کند.
در برخی شهرها از ازن به جای کلر برای ضدعفونی (ضدعفونی) آب آشامیدنی استفاده می شود.

فرمول های ساختاری مواد زیر را رسم کنید: OF 2، H 2 O، H 2 O 2، H 3 PO 4، (H 3 O) 2 SO 4، BaO، BaO 2، Ba(OH) 2. این مواد را نام ببرید. حالات ظرفیت اتم های اکسیژن در این ترکیبات را شرح دهید.
ظرفیت و حالت اکسیداسیون هر اتم اکسیژن را تعیین کنید.
2. معادلاتی برای واکنش های احتراق لیتیوم، منیزیم، آلومینیوم، سیلیکون، فسفر قرمز و سلنیوم در اکسیژن بسازید (اتم های سلنیوم به حالت اکسیداسیون +IV اکسید می شوند، اتم های عناصر دیگر تا بالاترین حالت اکسیداسیون اکسید می شوند). محصولات این واکنش ها به کدام دسته از اکسیدها تعلق دارند؟
3. چند لیتر ازن می توان (در شرایط عادی) الف) از 9 لیتر اکسیژن، ب) از 8 گرم اکسیژن به دست آورد؟

آب فراوان ترین ماده در پوسته زمین است. جرم آب زمین 1018 تن برآورد شده است. آب اساس هیدروسفر سیاره ما است، علاوه بر این، در جو وجود دارد، به شکل یخ، کلاهک های قطبی زمین و یخچال های طبیعی کوهستانی را تشکیل می دهد و همچنین بخشی از سنگ های مختلف است. کسر جرمی آب در بدن انسان حدود 70 درصد است.
آب تنها ماده ای است که در هر سه حالت تجمع نام های خاص خود را دارد.

ساختار الکترونیکی یک مولکول آب (شکل 10.4 آ) ما قبلاً به تفصیل مطالعه کردیم (به بند 7.10 مراجعه کنید).
به دلیل قطبیت پیوندهای O-H و شکل زاویه ای، مولکول آب دوقطبی الکتریکی.

برای مشخص کردن قطبیت یک دوقطبی الکتریکی، یک کمیت فیزیکی به نام " ممان الکتریکی یک دوقطبی الکتریکی"یا به سادگی" لحظه دوقطبی".

در شیمی، گشتاور دوقطبی در دبای ها اندازه گیری می شود: 1 D = 3.34. کلاس 10 تا 30 متر

در یک مولکول آب دو پیوند کووالانسی قطبی وجود دارد، یعنی دو دوقطبی الکتریکی که هر کدام دارای گشتاور دوقطبی (u) خود هستند. گشتاور دوقطبی کل یک مولکول برابر است با مجموع برداری این دو گشتاور (شکل 10.5):

(H 2 O) = ,

جایی که q 1 و q 2 - بارهای جزئی (+) روی اتمهای هیدروژن و و - فواصل بین اتمی O - H در مولکول. زیرا q 1 = q 2 = q، و، سپس

گشتاورهای دوقطبی مولکول آب و برخی مولکول‌های دیگر در جدول آورده شده است.

جدول 30.گشتاورهای دوقطبی برخی مولکول های قطبی

مولکول		مولکول		مولکول

با توجه به ماهیت دوقطبی مولکول آب، اغلب به صورت شماتیک به صورت زیر نمایش داده می شود:
آب خالص مایعی بی رنگ بدون طعم و بو است. برخی از خصوصیات فیزیکی اساسی آب در جدول آورده شده است.

جدول 31.برخی از خصوصیات فیزیکی آب

مقادیر زیاد گرمای مولی ذوب و تبخیر (یک مرتبه بزرگتر از هیدروژن و اکسیژن) نشان می‌دهد که مولکول‌های آب، چه در ماده جامد و چه در ماده مایع، کاملاً محکم به یکدیگر متصل هستند. این اتصالات نامیده می شوند پیوند های هیدروژنی".

دوقطبی الکتریکی، ممان دوقطبی، قطبی پیوند، قطبی مولکولی.
چند الکترون ظرفیت یک اتم اکسیژن در تشکیل پیوند در یک مولکول آب شرکت می کند؟
2. وقتی چه اوربیتال‌هایی روی هم قرار می‌گیرند، پیوندهایی بین هیدروژن و اکسیژن در یک مولکول آب ایجاد می‌شود؟
3. نموداری از تشکیل پیوند در یک مولکول پراکسید هیدروژن H 2 O 2 ایجاد کنید. در مورد ساختار فضایی این مولکول چه می توانید بگویید؟
4. فواصل بین اتمی در مولکول های HF، HCl و HBr به ترتیب برابر با 0.92 است. 1.28 و 1.41. با استفاده از جدول گشتاورهای دوقطبی، بارهای جزئی اتم های هیدروژن در این مولکول ها را محاسبه و مقایسه کنید.
5. فواصل بین اتمی S – H در مولکول سولفید هیدروژن 1.34 و زاویه بین پیوندها 92 درجه است. مقادیر بارهای جزئی اتم های گوگرد و هیدروژن را تعیین کنید. در مورد هیبریداسیون اوربیتال های ظرفیت اتم گوگرد چه می توانید بگویید؟

10.4. پیوند هیدروژنی

همانطور که می دانید، به دلیل تفاوت قابل توجه الکترونگاتیوی هیدروژن و اکسیژن (2.10 و 3.50)، اتم هیدروژن در مولکول آب بار جزئی مثبت زیادی به دست می آورد. q h = 0.33 هو اتم اکسیژن دارای بار جزئی منفی حتی بیشتر است ( q h = -0.66 ه). همچنین به یاد بیاورید که اتم اکسیژن در هر جفت تنها دو جفت الکترون دارد sp 3-هیبریدی AO. اتم هیدروژن یک مولکول آب به اتم اکسیژن یک مولکول دیگر جذب می شود و علاوه بر این، نیمه خالی 1s-AO اتم هیدروژن تا حدی یک جفت الکترون از اتم اکسیژن را می پذیرد. در نتیجه این فعل و انفعالات بین مولکول ها، نوع خاصی از پیوند بین مولکولی رخ می دهد - پیوند هیدروژنی.
در مورد آب، تشکیل پیوند هیدروژنی را می توان به صورت شماتیک به صورت زیر نشان داد:

در آخرین فرمول ساختاری، سه نقطه (خط نقطه چین، نه الکترون!) نشان دهنده یک پیوند هیدروژنی است.

پیوندهای هیدروژنی نه تنها بین مولکول های آب وجود دارد. در صورت رعایت دو شرط تشکیل می شود:
1) مولکول دارای پیوند H–E بسیار قطبی است (E نماد اتم یک عنصر نسبتاً الکترونگاتیو است)
2) مولکول حاوی یک اتم E با بار جزئی منفی بزرگ و یک جفت الکترون است.
عنصر E می تواند فلوئور، اکسیژن و نیتروژن باشد. اگر E کلر یا گوگرد باشد، پیوندهای هیدروژنی به طور قابل توجهی ضعیف تر هستند.
نمونه هایی از مواد با پیوند هیدروژنی بین مولکول ها: هیدروژن فلوراید، آمونیاک جامد یا مایع، اتیل الکل و بسیاری دیگر.

در هیدروژن فلوراید مایع، مولکول‌های آن توسط پیوندهای هیدروژنی به زنجیره‌های نسبتاً طولانی متصل می‌شوند و در آمونیاک مایع و جامد شبکه‌های سه‌بعدی تشکیل می‌شوند.
از نظر استحکام، پیوند هیدروژنی حد واسط بین یک پیوند شیمیایی و سایر انواع پیوندهای بین مولکولی است. انرژی مولی پیوند هیدروژنی معمولاً بین 5 تا 50 کیلوژول بر مول است.
در آب جامد (یعنی کریستال‌های یخ)، همه اتم‌های هیدروژن به اتم‌های اکسیژن پیوند دارند و هر اتم اکسیژن دو پیوند هیدروژنی را تشکیل می‌دهد (با استفاده از هر دو جفت الکترون). این ساختار یخ را در مقایسه با آب مایع شل تر می کند، جایی که برخی از پیوندهای هیدروژنی شکسته می شوند و مولکول ها می توانند کمی محکم تر "بسته شوند". این ویژگی ساختار یخ توضیح می دهد که چرا، برخلاف اکثر مواد دیگر، آب در حالت جامد چگالی کمتری نسبت به حالت مایع دارد. آب در دمای 4 درجه سانتیگراد به حداکثر چگالی خود می رسد - در این دما پیوندهای هیدروژنی زیادی شکسته می شود و انبساط حرارتی هنوز تأثیر زیادی بر چگالی ندارد.
پیوندهای هیدروژنی در زندگی ما بسیار مهم هستند. بیایید برای لحظه ای تصور کنیم که تشکیل پیوندهای هیدروژنی متوقف شده است. در اینجا برخی از پیامدها وجود دارد:

• آب در دمای اتاق گازی می شود زیرا نقطه جوش آن به حدود -80 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.
• همه بدنه های آب از پایین شروع به یخ زدن می کنند، زیرا چگالی یخ بیشتر از چگالی آب مایع است.
• مارپیچ دوگانه DNA و بسیاری موارد دیگر وجود نخواهد داشت.

مثال های ارائه شده کافی است تا بفهمیم که در این صورت طبیعت سیاره ما کاملاً متفاوت خواهد شد.

پیوند هیدروژنی، شرایط تشکیل آن.
فرمول اتیل الکل CH 3 – CH 2 – O – H است. بین کدام اتم های مولکول های مختلف این ماده پیوند هیدروژنی تشکیل می شود؟ فرمول های ساختاری را بنویسید که شکل گیری آنها را نشان می دهد.
2. پیوندهای هیدروژنی نه تنها در مواد منفرد، بلکه در محلول ها نیز وجود دارد. با استفاده از فرمول های ساختاری نشان دهید که چگونه پیوندهای هیدروژنی در محلول آبی الف) آمونیاک، ب) فلوراید هیدروژن، ج) اتانول (اتیل الکل) تشکیل می شود. = 2H 2 O.
هر دوی این واکنش ها در آب به طور مداوم و با سرعت یکسان اتفاق می افتد، بنابراین، تعادل در آب وجود دارد: 2H 2 O AN 3 O + OH.
این تعادل نامیده می شود تعادل اتوپروتولیزاب.

واکنش مستقیم این فرآیند برگشت پذیر گرماگیر است، بنابراین، هنگام گرم شدن، اتوپروتولیز افزایش می یابد، اما در دمای اتاق تعادل به سمت چپ منتقل می شود، یعنی غلظت یون های H 3 O و OH ناچیز است. با چه چیزی برابرند؟
طبق قانون کنش جمعی

اما با توجه به اینکه تعداد مولکول های آب واکنش داده شده در مقایسه با تعداد کل مولکول های آب ناچیز است، می توان فرض کرد که غلظت آب در حین اتوپروتولیز عملاً تغییر نمی کند و 2 = const چنین غلظت کم یونهای دارای بار مخالف در آب خالص توضیح می دهد که چرا این مایع، اگرچه ضعیف است، اما همچنان جریان الکتریکی را هدایت می کند.

AUTOPROTOLYSIS OF WATER, AUTOPROTOLYSIS CONSTANT (محصول یونی) OF WATER.
محصول یونی آمونیاک مایع (نقطه جوش -33 درجه سانتیگراد) 2·10-28 است. معادله ای برای اتوپروتولیز آمونیاک بنویسید. غلظت یون های آمونیوم را در آمونیاک مایع خالص تعیین کنید. کدام ماده رسانایی الکتریکی بیشتری دارد، آب یا آمونیاک مایع؟

1. تولید هیدروژن و احتراق آن (خاصیت کاهنده).
2. به دست آوردن اکسیژن و مواد سوزاننده در آن (خواص اکسید کننده).

شیمی عمومی و معدنی

سخنرانی 6. هیدروژن و اکسیژن. اب. آب اکسیژنه.

هیدروژن

اتم هیدروژن ساده ترین شی شیمی است. به بیان دقیق، یون آن، پروتون، حتی ساده تر است. اولین بار در سال 1766 توسط کاوندیش توصیف شد. نام از یونانی. "ژن های هیدرو" - تولید آب.

شعاع اتم هیدروژن تقریباً 0.5 * 10-10 متر و یون آن (پروتون) 1.2 * 10-15 متر است. یا از 50 بعد از ظهر تا 1.2 * 10-3 بعد از ظهر یا از 50 متر (مورب SCA) تا 1 میلی متر

عنصر 1s بعدی، لیتیوم، تنها از ساعت 155 تا 68 بعد از ظهر برای Li+ تغییر می کند. چنین تفاوتی در اندازه یک اتم و کاتیون آن (5 مرتبه قدر) منحصر به فرد است.

به دلیل اندازه کوچک پروتون، تبادل رخ می دهد پیوند هیدروژنیدر درجه اول بین اتم های اکسیژن، نیتروژن و فلوئور. استحکام پیوندهای هیدروژنی 10-40 کیلوژول بر مول است که به طور قابل توجهی کمتر از انرژی شکست اکثر پیوندهای معمولی (100-150 کیلوژول بر مول در مولکول های آلی) است، اما بیشتر از میانگین انرژی جنبشی حرکت حرارتی در دمای 370 درجه سانتی گراد است. (4 کیلوژول بر مول). در نتیجه، در یک موجود زنده، پیوندهای هیدروژنی به طور برگشت پذیر شکسته می شود و جریان فرآیندهای حیاتی را تضمین می کند.

هیدروژن در 14 کلوین ذوب می شود، در 20.3 کلوین (فشار 1 اتمسفر) می جوشد، چگالی هیدروژن مایع تنها 71 گرم در لیتر است (14 برابر سبکتر از آب).

اتم های هیدروژن برانگیخته با انتقال تا n 733 → 732 با طول موج 18 متر در محیط نادر بین ستاره ای کشف شدند که مربوط به شعاع بور (r = n2 * 0.5 * 10-10 m) از مرتبه 0.1 میلی متر است ( !).

رایج ترین عنصر در فضا (88.6 درصد اتم ها، 11.3 درصد اتم ها هلیم هستند و تنها 0.1 درصد اتم های همه عناصر دیگر هستند).

4 H → 4 He + 26.7 MeV 1 eV = 96.48 کیلوژول بر مول

از آنجایی که پروتون ها 1/2 اسپین دارند، سه نوع مولکول هیدروژن وجود دارد:

ارتوهیدروژن o-H2 با اسپین های موازی هسته ای، پاراهیدروژن p-H2 با ضد موازیاسپین و نرمال n-H2 - مخلوطی از 75% ارتو هیدروژن و 25% پارا هیدروژن. در طول تبدیل o-H2 → p-H2، 1418 J/mol آزاد می شود.

خواص ارتو و پاراهیدروژن

از آنجایی که جرم اتمی هیدروژن حداقل ممکن است، ایزوتوپ های آن - دوتریوم D (2 H) و تریتیوم T (3 H) از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی به طور قابل توجهی با پروتیوم 1 H متفاوت است. به عنوان مثال، جایگزینی یکی از هیدروژن‌های موجود در یک ترکیب آلی با دوتریوم، تأثیر قابل‌توجهی بر طیف ارتعاشی (مادون قرمز) آن دارد که امکان تعیین ساختار مولکول‌های پیچیده را ممکن می‌سازد. جایگزین های مشابه ("روش اتم برچسب دار") نیز برای ایجاد مکانیسم های پیچیده استفاده می شود

فرآیندهای شیمیایی و بیوشیمیایی روش اتم برچسب گذاری شده به ویژه در هنگام استفاده از تریتیوم رادیواکتیو به جای پروتیوم حساس است (واپاشی β، نیمه عمر 12.5 سال).

خواص پروتیوم و دوتریوم

					چگالی، گرم در لیتر (20 K)
روش پایه تولید هیدروژندر صنعت - تبدیل متان
یا هیدراتاسیون زغال سنگ در دمای 800-11000 درجه سانتیگراد (کاتالیزور):
CH4 + H2 O = CO + 3 H2				بالای 10000 درجه سانتیگراد
«گاز آب»: C + H2 O = CO + H2
سپس تبدیل CO: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C، اکسیدهای کبالت

مجموع: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2

سایر منابع هیدروژن

گاز کوره کک: حدود 55٪ هیدروژن، 25٪ متان، تا 2٪ هیدروکربن های سنگین، 4-6٪ CO، 2٪ CO2، 10-12٪ نیتروژن.

هیدروژن به عنوان یک محصول احتراق:

Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

تا 370 لیتر هیدروژن به ازای هر 1 کیلوگرم مخلوط پیروتکنیک آزاد می شود.

هیدروژن به شکل یک ماده ساده برای تولید آمونیاک و هیدروژناسیون (سخت شدن) چربی های گیاهی، برای احیای اکسیدهای برخی از فلزات (مولیبدن، تنگستن)، برای تولید هیدریدها (LiH، CaH2،

LiAlH4).

آنتالپی واکنش: H. + H. = H2 - 436 کیلوژول بر مول است، بنابراین از هیدروژن اتمی برای تولید "شعله" کاهش دمای بالا ("مشعل لانگمویر") استفاده می شود. یک جت هیدروژن در یک قوس الکتریکی در دمای 35000 درجه سانتیگراد 30٪ اتمیزه می شود سپس با ترکیب مجدد اتم ها می توان به 50000 درجه سانتیگراد رسید.

هیدروژن مایع به عنوان سوخت در موشک ها استفاده می شود (به اکسیژن مراجعه کنید). وعده سوخت سازگار با محیط زیست برای حمل و نقل زمینی؛ آزمایش‌هایی روی استفاده از باتری‌های هیدروژنی هیدروژنی فلزی در حال انجام است. به عنوان مثال، یک آلیاژ LaNi5 می تواند 1.5-2 برابر بیشتر از مقدار هیدروژن موجود در همان حجم (به اندازه حجم آلیاژ) هیدروژن مایع جذب کند.

اکسیژن

بر اساس داده‌های پذیرفته شده در حال حاضر، اکسیژن در سال 1774 توسط J. Priestley و به طور مستقل توسط K. Scheele کشف شد. تاریخچه کشف اکسیژن نمونه خوبی از تأثیر پارادایم ها بر توسعه علم است (به پیوست 1 مراجعه کنید).

ظاهراً اکسیژن در واقع خیلی زودتر از تاریخ رسمی کشف شده است. در سال 1620، هر کسی می‌توانست با زیردریایی که توسط کورنلیوس ون دربل طراحی شده بود، سوار بر رودخانه تیمز (در تیمز) شود. این قایق به لطف تلاش ده ها پاروزن در زیر آب حرکت کرد. به گفته شاهدان عینی متعدد، مخترع این زیردریایی با "تازه کردن" هوای موجود در آن به روش شیمیایی، مشکل تنفس را با موفقیت حل کرد. رابرت بویل در سال 1661 نوشت: «... علاوه بر ساختار مکانیکی قایق، مخترع یک ​​محلول شیمیایی (مشروب) نیز داشت که او آن را

راز اصلی غواصی در نظر گرفته شده است. و هنگامی که گهگاه متقاعد می شد که بخشی از هوای مناسب برای تنفس قبلاً مصرف شده است و نفس کشیدن را برای افراد داخل قایق دشوار می کند، می توانست با باز کردن ظروف پر از این محلول، به سرعت دوباره پر شود. هوا با چنان محتوایی از اجزای حیاتی که آن را دوباره برای تنفس طولانی مدت مناسب می کند.

یک فرد سالم در حالت آرام روزانه حدود 7200 لیتر هوا را از طریق ریه های خود پمپ می کند و 720 لیتر اکسیژن به طور غیرقابل برگشتی دریافت می کند. در یک اتاق بسته با حجم 6 متر مکعب، فرد می تواند بدون تهویه تا 12 ساعت و با کار فیزیکی 3-4 ساعت زنده بماند. علت اصلی دشواری تنفس کمبود اکسیژن نیست، بلکه تجمع دی اکسید کربناز 0.3 تا 2.5٪.

برای مدت طولانی، روش اصلی تولید اکسیژن چرخه باریم بود (تولید اکسیژن با استفاده از روش برین):

BaSO4 -t-→ BaO + SO3;

5000 C ->

BaO + 0.5 O2 ====== BaO2<- 7000 C

محلول مخفی دربل می تواند محلولی از پراکسید هیدروژن باشد: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

به دست آوردن اکسیژن با سوزاندن مخلوط پیرولیز: NaClO3 = NaCl + 1.5 O2 + 50.5 کیلوژول

این مخلوط حاوی 80 درصد NaClO3، تا 10 درصد پودر آهن، 4 درصد پراکسید باریم و پشم شیشه است.

مولکول اکسیژن پارامغناطیس است (عملاً دو رادیکال) بنابراین فعالیت آن زیاد است. مواد آلی موجود در هوا در مرحله تشکیل پراکسید اکسید می شوند.

اکسیژن در 54.8 K ذوب می شود و در 90.2 K می جوشد.

یک تغییر آلوتروپیک عنصر اکسیژن، ماده ازن O3 است. حفاظت بیولوژیکی ازن زمین بسیار مهم است. در ارتفاع 20-25 کیلومتری، تعادل برقرار می شود:

UV<280 нм		UV 280-320 نانومتر
O2 ----> 2 O*	O* + O2 + M --> O3	O3-------	> O2 + O
	(M - N2، Ar)

در سال 1974، کشف شد که کلر اتمی، که از فرئون ها در ارتفاع بیش از 25 کیلومتری تشکیل می شود، تجزیه ازن را کاتالیز می کند، گویی که جایگزین تابش فرابنفش "ازون" می شود. این UV می تواند باعث سرطان پوست شود (تا 600 هزار مورد در سال در ایالات متحده). ممنوعیت استفاده از فریون ها در قوطی های آئروسل از سال 1978 در ایالات متحده اجرا می شود.

از سال 1990، لیست مواد ممنوعه (در 92 کشور) شامل CH3 CCl3، CCl4 و هیدروکربن های کلروبرومینه شده است - تولید آنها تا سال 2000 به تدریج حذف خواهد شد.

احتراق هیدروژن در اکسیژن

واکنش بسیار پیچیده است (طرح در سخنرانی 3)، بنابراین مطالعه طولانی قبل از کاربرد عملی مورد نیاز بود.

در 21 ژوئیه 1969، اولین زمینی، N. Armstrong، بر روی ماه قدم گذاشت. موشک انداز ساترن 5 (طراحی شده توسط ورنر فون براون) از سه مرحله تشکیل شده است. اولی حاوی نفت سفید و اکسیژن، دوم و سوم حاوی هیدروژن مایع و اکسیژن است. در مجموع 468 تن مایع O2 و H2. 13 پرتاب موفق انجام شد.

از آوریل 1981، شاتل فضایی در ایالات متحده پرواز می کند: 713 تن مایع O2 و H2، و همچنین دو شتاب دهنده سوخت جامد هر کدام 590 تن (جرم کلی سوخت جامد 987 تن). 40 کیلومتر اول صعود به TTU، از 40 تا 113 کیلومتر موتورها با هیدروژن و اکسیژن کار می کنند.

15 می 1987 اولین پرتاب "انرژیا"، 15 نوامبر 1988 اولین و تنها پرواز "بوران". وزن پرتاب 2400 تن، وزن سوخت (نفت سفید در

محفظه های جانبی مایع O2 و H2) 2000 تن قدرت موتور 125000 مگاوات بار 105 تن.

احتراق همیشه کنترل شده و موفقیت آمیز نبود.

در سال 1936 بزرگترین کشتی هوایی هیدروژنی جهان به نام LZ-129 Hindenburg ساخته شد. حجم 200000 مترمکعب طول حدود 250 متر قطر 41.2 متر سرعت 135 کیلومتر در ساعت به لطف 4 موتور 1100 اسب بخار، بار 88 تن. کشتی هوایی 37 پرواز در سراسر اقیانوس اطلس انجام داد و بیش از 3 هزار مسافر را حمل کرد.

در 6 مه 1937 هنگام پهلوگیری در ایالات متحده، کشتی هوایی منفجر شد و سوخت. یکی از دلایل احتمالی خرابکاری است.

در 28 ژانویه 1986، در هفتاد و چهارمین ثانیه پرواز، چلنجر با هفت فضانورد منفجر شد - بیست و پنجمین پرواز سیستم شاتل. دلیل آن نقص در شتاب دهنده سوخت جامد است.

تظاهرات:

انفجار گاز منفجر کننده (مخلوطی از هیدروژن و اکسیژن)

سلول های سوختی

یک نوع مهم فنی از این واکنش احتراق، تقسیم فرآیند به دو بخش است:

الکترواکسیداسیون هیدروژن (آند): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

کاهش الکتریکی اکسیژن (کاتد): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

سیستمی که در آن چنین "احتراق" رخ می دهد سلول سوختی. راندمان بسیار بالاتر از نیروگاه های حرارتی است، زیرا وجود ندارد

مرحله ویژه تولید گرما حداکثر بازده = ∆ G/∆ H; برای احتراق هیدروژن معلوم می شود که 94٪ است.

این اثر از سال 1839 شناخته شده است، اما اولین پیل های سوختی عملاً کار می کنند

در پایان قرن بیستم در فضا ("جمینی"، "آپولو"، "شاتل" - ایالات متحده آمریکا، "بوران" - اتحاد جماهیر شوروی).

چشم انداز سلول های سوختی [17]

یکی از نمایندگان Ballard Power Systems که در یک کنفرانس علمی در واشنگتن صحبت می کرد، تاکید کرد که یک موتور پیل سوختی زمانی از نظر تجاری قابل دوام خواهد بود که چهار معیار اصلی را داشته باشد: کاهش هزینه انرژی تولید شده، افزایش دوام، کاهش اندازه تاسیسات و قابلیت شروع سریع در هوای سرد هزینه یک کیلووات انرژی تولید شده توسط یک پیل سوختی باید به 30 دلار کاهش یابد. برای مقایسه، در سال 2004 همین رقم 103 دلار بود و در سال 2005 پیش بینی می شود به 80 دلار برسد. برای دستیابی به این قیمت، تولید حداقل 500 هزار موتور در سال ضروری است. دانشمندان اروپایی در پیش‌بینی‌های خود محتاط‌تر هستند و بر این باورند که استفاده تجاری از پیل‌های سوختی هیدروژنی در صنعت خودرو زودتر از سال 2020 آغاز نخواهد شد.

هیدروژن H رایج ترین عنصر در کیهان است (حدود ۷۵ درصد جرم) و در زمین نهمین عنصر فراوان است. مهمترین ترکیب هیدروژن طبیعی آب است.
هیدروژن در جدول تناوبی رتبه اول را دارد (Z = 1). این ساده ترین ساختار اتمی را دارد: هسته اتم 1 پروتون است که توسط یک ابر الکترونی متشکل از 1 الکترون احاطه شده است.
تحت برخی شرایط، هیدروژن خواص فلزی را از خود نشان می دهد (الکترونی را اهدا می کند)، در حالی که در شرایط دیگر خواص غیرفلزی را نشان می دهد (الکترون را می پذیرد).
ایزوتوپ های هیدروژن موجود در طبیعت عبارتند از: 1H - پروتیوم (هسته از یک پروتون تشکیل شده است)، 2H - دوتریوم (D - هسته از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است)، 3H - تریتیوم (T - هسته از یک پروتون و دو تشکیل شده است. نوترون).

ماده ساده هیدروژن

یک مولکول هیدروژن از دو اتم تشکیل شده است که توسط یک پیوند کووالانسی غیرقطبی به هم متصل شده اند.
مشخصات فیزیکی.هیدروژن گازی بی رنگ، بی بو، بی مزه و غیر سمی است. مولکول هیدروژن قطبی نیست. بنابراین نیروهای برهمکنش بین مولکولی در گاز هیدروژن کم است. این در نقاط جوش کم (252.6- 0C) و نقطه ذوب (259.2- 0C) آشکار می شود.
هیدروژن سبکتر از هوا است، D (توسط هوا) = 0.069; کمی در آب حل می شود (2 حجم H2 در 100 حجم H2O حل می شود). بنابراین، وقتی هیدروژن در آزمایشگاه تولید می شود، می توان با روش های جابجایی هوا یا آب جمع آوری کرد.

تولید هیدروژن

در آزمایشگاه:

1. اثر اسیدهای رقیق بر فلزات:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. برهمکنش فلزات قلیایی و اساسی با آب:
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3. هیدرولیز هیدریدها: هیدریدهای فلزی به راحتی توسط آب تجزیه می شوند و قلیایی و هیدروژن مربوطه را تشکیل می دهند:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
CaH 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2

4. اثر قلیاها بر روی یا آلومینیوم یا سیلیکون:
2Al + 2 NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2

5. الکترولیز آب. برای افزایش رسانایی الکتریکی آب، یک الکترولیت مانند NaOH، H 2 SO 4 یا Na 2 SO 4 به آن اضافه می شود. 2 حجم هیدروژن در کاتد و 1 حجم اکسیژن در آند تشکیل می شود.
2H 2 O → 2H 2 + O 2

تولید صنعتی هیدروژن

1. تبدیل متان با بخار، Ni 800 درجه سانتیگراد (ارزانترین):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

در مجموع:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2

2. بخار آب از طریق کک داغ در دمای 1000 درجه سانتیگراد:
C + H 2 O → CO + H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

مونوکسید کربن (IV) حاصل توسط آب جذب می شود و 50 درصد هیدروژن صنعتی از این طریق تولید می شود.

3. با حرارت دادن متان تا 350 درجه سانتیگراد در حضور کاتالیزور آهن یا نیکل:
CH 4 → C + 2H 2

4. الکترولیز محلول های آبی KCl یا NaCl به عنوان یک محصول جانبی:
2H 2 O + 2 NaCl → Cl 2 + H 2 + 2 NaOH

خواص شیمیایی هیدروژن

• در ترکیبات، هیدروژن همیشه تک ظرفیتی است. با حالت اکسیداسیون 1+ مشخص می شود، اما در هیدریدهای فلزی برابر با 1- است.
• مولکول هیدروژن از دو اتم تشکیل شده است. پیدایش ارتباط بین آنها با تشکیل یک جفت الکترون تعمیم یافته H:H یا H2 توضیح داده می شود.
• به لطف این تعمیم الکترون ها، مولکول H2 از نظر انرژی پایدارتر از اتم های منفرد است. برای شکستن 1 مول مولکول هیدروژن به اتم، باید 436 کیلوژول انرژی مصرف کرد: H 2 = 2H، ∆H° = 436 kJ/mol.
• این موضوع فعالیت نسبتاً کم هیدروژن مولکولی را در دماهای معمولی توضیح می دهد.
• با بسیاری از غیر فلزات، هیدروژن ترکیبات گازی مانند RH 4، RH 3، RH 2، RH را تشکیل می دهد.

1) هالیدهای هیدروژن را با هالوژن تشکیل می دهد:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
در همان زمان، با فلوئور منفجر می شود، با کلر و برم فقط در صورت روشن شدن یا گرم شدن واکنش می دهد و با ید فقط زمانی که گرم می شود.

2) با اکسیژن:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
با انتشار گرما در دمای معمولی واکنش به کندی پیش می رود، در دمای بالای 550 درجه سانتی گراد منفجر می شود. مخلوطی از 2 حجم H 2 و 1 حجم O 2 را گاز انفجاری می نامند.

3) هنگامی که گرم می شود، به شدت با گوگرد واکنش نشان می دهد (بسیار دشوارتر با سلنیوم و تلوریم):
H 2 + S → H 2 S (سولفید هیدروژن)،

4) با نیتروژن با تشکیل آمونیاک فقط روی کاتالیزور و در دما و فشار بالا:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3

5) با کربن در دماهای بالا:
2H 2 + C → CH 4 (متان)

6) با فلزات قلیایی و قلیایی خاکی هیدریدها را تشکیل می دهد (هیدروژن یک عامل اکسید کننده است):
H 2 + 2Li → 2LiH
در هیدریدهای فلزی، یون هیدروژن دارای بار منفی است (وضعیت اکسیداسیون -1)، یعنی هیدرید Na + H - ساخته شده شبیه به کلرید Na + کلر -

با مواد پیچیده:

7) با اکسیدهای فلزی (برای احیای فلزات استفاده می شود):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O

8) با مونوکسید کربن (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
سنتز - گاز (مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن) از اهمیت عملی مهمی برخوردار است، زیرا بسته به دما، فشار و کاتالیزور، ترکیبات آلی مختلفی تشکیل می شود، به عنوان مثال HCHO، CH 3 OH و غیره.

9) هیدروکربن های غیر اشباع با هیدروژن واکنش داده و اشباع می شوند:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n + 2.