كل عنصر كيميائي في الجدول الدوريله مكانه المحدد ، والذي يعكس الخصائص التي تظهرها ويتحدث عن هيكلها الإلكتروني. ومع ذلك ، هناك ذرة خاصة واحدة بين كل ذرة تحتل خليتين في وقت واحد. وهي تقع في مجموعتين من العناصر المتناقضة تمامًا في خصائصها. هذا هيدروجين. هذه الميزات تجعلها فريدة من نوعها.
الهيدروجين ليس مجرد عنصر ، ولكنه أيضًا مادة بسيطة ، بالإضافة إلى أحد مكونات العديد من المركبات المعقدة ، وهي عنصر حيوي وعضوية. لذلك ، سننظر في خصائصه وخصائصه بمزيد من التفصيل.
الهيدروجين كعنصر كيميائي
الهيدروجين هو عنصر من عناصر المجموعة الأولى الرئيسيةالمجموعة الفرعية ، وكذلك المجموعة السابعة من المجموعة الفرعية الرئيسية في الفترة الصغيرة الأولى. تتكون هذه الفترة من ذرتين فقط: الهيليوم والعنصر الذي ندرسه. دعونا نصف السمات الرئيسية لموضع الهيدروجين في الجدول الدوري.
- الرقم التسلسلي للهيدروجين - 1 ، الكميةالإلكترونات هي نفسها ، على التوالي ، البروتونات هي نفسها. الكتلة الذرية 1.00795. هناك ثلاثة نظائر لهذا العنصر بأعداد كتلتها 1 ، 2 ، 3. ومع ذلك ، تختلف خصائص كل منها اختلافًا كبيرًا ، حيث أن الزيادة في الكتلة حتى بمقدار واحد للهيدروجين تتضاعف على الفور.
- هذا على مستوى الطاقة الخارجية هويحتوي على إلكترون واحد فقط ، مما يسمح له بعرض كل من خصائص الأكسدة والاختزال بنجاح. بالإضافة إلى ذلك ، بعد التبرع بالإلكترون ، يكون له مدار حر ، والذي يشارك في تكوين روابط كيميائية بواسطة آلية متلقي المانح.
- الهيدروجين عامل اختزال قوي. لذلك ، يعتبر مكانها الرئيسي المجموعة الأولى من المجموعة الفرعية الرئيسية ، حيث يرأسها أكثر المعادن نشاطًا - القلويات.
- ومع ذلك ، عند التعامل مع قويعوامل الاختزال ، على سبيل المثال ، المعادن ، يمكن أن تكون أيضًا عامل مؤكسد ، يقبل إلكترونًا. هذه المركبات تسمى الهيدريدات. على هذا الأساس ، يرأس المجموعة الفرعية للهالوجينات التي يشبهها.
- نظرًا لكتلته الذرية الصغيرة جدًا ، يعتبر الهيدروجين أخف عنصر. بالإضافة إلى ذلك ، كثافته منخفضة جدًا أيضًا ، وهذا هو السبب في أنها أيضًا معيار الخفة.
وبالتالي ، فمن الواضح أن ذرة الهيدروجينفريد تمامًا ، على عكس جميع العناصر الأخرى. وبالتالي ، فإن خصائصه خاصة أيضًا ، والمواد البسيطة والمعقدة المتكونة مهمة جدًا. دعنا نفكر فيها أكثر.
مادة بسيطة
إذا تحدثنا عن هذا العنصر كجزيء ، فلا بد من القول إنه ثنائي الذرة. وهذا يعني أن الهيدروجين (مادة بسيطة) غاز. ستكتب صيغتها التجريبية كـ H2، ورسومية - من خلال رابط HH واحد سيجما. آلية تكوين الرابطة بين الذرات تساهمية غير قطبية.
تمكن حتى هنري كافنديش في عام 1766 من الافتتاحهذه المادة. هو الذي أثبت أن الهيدروجين غاز ، ويمكن أن ينفجر في الهواء. في وقت لاحق ، تمت دراسة الخصائص جيدًا ، واتضح أن هذه المادة هي الأخف وزنا بين المواد المعروفة.
حتى في وقت لاحق ، أعطى لافوازييه الاسم (كعنصر ،والمادة التي تعتمد عليها) باللاتينية - الهيدروجين ، وتعني "ولادة الماء". في عام 1781 ، أثبت مكتشف هذا العنصر ، هنري كافنديش ، أن الماء هو مزيج من الهيدروجين والأكسجين ، أي أنه نتاج تفاعلهما. وحقيقة أن الغاز الخفيف شديد القابلية للاشتعال كان معروفًا في القرن السادس عشر ، وقد انعكس ذلك في سجلات باراسيلسوس.
وهكذا ، الهيدروجين الجزيئي جدامركب غازي طبيعي من ذرتين يمكن أن ينفجر في الهواء. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للجزيء أن يتحلل إلى ذرات تشارك في التفاعلات النووية ، وتتحول إلى نوى هيليوم. تحدث هذه العمليات باستمرار على الشمس وفي الفضاء ، وهما المزودان الرئيسيان لهذا المركب.
الهيدروجين مادة يمكن أن تظهر كعامل مؤكسد وعامل مختزل. كما أنها تجد نفسها مستخدمة على نطاق واسع في الأنشطة البشرية.
الخصائص الفيزيائية
المعلمات الفيزيائية للهيدروجين هي كما يلي:
- نقطة الغليان - (-252.76 0C).
- نقطة الانصهار - (-259.2 0C).
- في نطاق درجة الحرارة المشار إليه ، يكون سائلًا عديم اللون والرائحة.
- عند ضغوط عالية جدًا ، توجد بلورات هيدروجين صلب تشبه الثلج.
- في ظل ظروف معينة (ضغط مرتفع ودرجات حرارة منخفضة) يمكن أن تتحول إلى حالة معدنية.
- غير قابل للذوبان عمليا في الماء ، لذلك فإن التجميع بطريقة الإزاحة ممكن عند الحصول عليه في ظروف معملية.
- في الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غازًا عديم الرائحة واللون والطعم.
- إنه قابل للاشتعال والانفجار.
- يذوب جيدًا في المعادن ، حيث إنه قادر على الانتشار من خلال سمكها.
- هذا الغاز أخف من الهواء بحوالي 14.5 مرة.
إن الشبكة البلورية لمادة بسيطة جزيئية ، والروابط ضعيفة ، وبالتالي يتم تدميرها بسهولة.
الخصائص الكيميائية
كما ذكر أعلاه ، الهيدروجين قادر علىتظهر خصائص الاختزال والأكسدة. حالات الأكسدة المحتملة للعنصر +1 ؛ -واحد. لذلك ، غالبًا ما يتم استخدامه في الصناعة للتركيبات والتفاعلات المختلفة.
خصائص مؤكسدة الهيدروجين
- يؤدي التفاعل مع المعادن النشطة (الأرض القلوية والقلوية) في ظل الظروف العادية إلى تكوين مركبات شبيهة بالملح تسمى الهيدريدات. على سبيل المثال: LiH، CaH2، KH ، MgH2 و اخرين.
- المركبات التي تحتوي على معادن منخفضة النشاط تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة أو الإضاءة القوية (بدء التفاعلات الكيميائية الضوئية) تشكل أيضًا الهيدريدات.
خصائص تقليل الهيدروجين
- التفاعل في الظروف العادية فقط مع الفلور (كعامل مؤكسد قوي). نتيجة لذلك ، يتم تكوين فلوريد الهيدروجين أو حمض الهيدروفلوريك HF.
- التفاعل مع جميع المواد غير المعدنية تقريبًا ، ولكن في ظل ظروف قاسية إلى حد ما. أمثلة الاتصال: H2S ، NH3، ح2O ، PH3، SiH4 و اخرين.
- يقلل المعادن من أكاسيدها إلى مواد بسيطة. هذه إحدى الطرق الصناعية للحصول على المعادن ، وتسمى الحرارة الهيدروجينية.
بشكل منفصل ، ينبغي للمرء أن يسلط الضوء على ردود الفعل التيتستخدم في التوليفات العضوية. يطلق عليهم الهدرجة - التشبع بالهيدروجين ونزع الهيدروجين ، أي إزالته من الجزيء. يتم الحصول على مجموعة متنوعة من الهيدروكربونات والمركبات العضوية الأخرى من عمليات التحويل هذه.
أن تكون في الطبيعة
الهيدروجين هو المادة الأكثر وفرة فيكوكبنا وما وراءه. بعد كل شيء ، تقريبا كل الفضاء والنجوم بين النجوم تتكون من هذا المركب. في الفضاء ، يمكن أن توجد بالشكل:
- بلازما؛
- غاز؛
- الأيونات.
- الذرات.
- الجزيئات.
هناك عدة أنواع من السحب مختلفة الكثافة تتكون من هذه المادة.
إذا تحدثنا عن التوزيع على وجه التحديد فيالقشرة ، ثم الهيدروجين في المرتبة الثانية من حيث عدد الذرات بعد الأكسجين ، بحوالي 17٪. نادرًا ما يوجد بشكل حر ، ولكن بكميات صغيرة في الهواء الجاف. المركب الأكثر شيوعًا لهذا العنصر هو الماء. إنه موجود في تكوينه على هذا الكوكب.
أيضا ، الهيدروجين هو عنصر إلزاميجزء من أي كائن حي. علاوة على ذلك ، في جسم الإنسان ، هذه الذرة تمثل 63٪. الهيدروجين عنصر عضوي ، لذلك فهو يشكل جزيئات من البروتينات والدهون والكربوهيدرات والأحماض النووية ، بالإضافة إلى العديد من المركبات الحيوية الأخرى.
استقبال
هناك طرق مختلفة للحصول على الغاز الذي ندرسه. وتشمل هذه العديد من خيارات التوليف الصناعية والمخبرية.
الطرق الصناعية لانتاج الهيدروجين:
- تحويل غاز الميثان بالبخار.
- تغويز الفحم - تتضمن العملية تسخين الفحم إلى 1000 0C ، مما أدى إلى تكوين الهيدروجين والفحم عالي الكربون.
- التحليل الكهربائي. لا يمكن استخدام هذه الطريقة إلا في المحاليل المائية للأملاح المختلفة ، لأن المواد المنصهرة لا تؤدي إلى تصريف الماء عند الكاثود.
الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين:
- التحلل المائي لهيدرات المعادن.
- تأثير الأحماض المخففة على المعادن النشطة والنشاط المتوسط.
- تفاعل المعادن الأرضية القلوية والقلوية مع الماء.
لتجميع الهيدروجين المتولد ، من الضروريحافظ على الأنبوب رأسًا على عقب. بعد كل شيء ، لا يمكن جمع هذا الغاز بالطريقة نفسها ، على سبيل المثال ، ثاني أكسيد الكربون. هذا هيدروجين ، أخف بكثير من الهواء. يتبخر بسرعة ، وينفجر بكميات كبيرة عند مزجه مع الهواء. لذلك ، يجب عكس الأنبوب. بعد ملئه ، يجب إغلاقه بسدادة مطاطية.
للتحقق من نقاء الهيدروجين المُجمع ،يجب إحضار عود ثقاب مضاء إلى الرقبة. إذا كان القطن باهتًا وهادئًا ، فإن الغاز يكون نظيفًا ، مع الحد الأدنى من شوائب الهواء. إذا كان مرتفعًا وصفيرًا ، فهو متسخ مع نسبة كبيرة من المكونات الدخيلة.
مجالات الاستخدام
عندما يتم حرق الهيدروجين ، كثيراكمية كبيرة من الطاقة (الحرارة) التي يعتبر هذا الغاز الوقود الأكثر ربحية. علاوة على ذلك ، فهي صديقة للبيئة. ومع ذلك ، فإن تطبيقه اليوم في هذا المجال محدود. ويرجع ذلك إلى المشاكل غير المدروسة وغير المحلولة لتخليق الهيدروجين النقي ، والذي سيكون مناسبًا للاستخدام كوقود في المفاعلات والمحركات والأجهزة المحمولة ، وكذلك غلايات التدفئة في المباني السكنية.
بعد كل شيء ، طرق الحصول على هذا الغاز كافيةغالية الثمن ، لذلك يجب أولاً تطوير طريقة تركيب خاصة. منتج يسمح لك بالحصول على منتج بكميات كبيرة وبأقل تكلفة.
هناك العديد من المجالات الرئيسية التي يتم فيها تطبيق الغاز الذي ندرسه.
- التوليفات الكيميائية. تنتج الهدرجة الصابون والسمن والبلاستيك. بمشاركة الهيدروجين والميثانول والأمونيا ، وكذلك المركبات الأخرى ، يتم تصنيعها.
- في صناعة المواد الغذائية - كمادة مضافة E949.
- صناعة الطيران (الصواريخ ، صناعة الطائرات).
- هندسة القوى.
- علم الارصاد الجوية.
- وقود صديق للبيئة.
من الواضح أن الهيدروجين لا يقل أهمية عن طبيعته. تلعب المركبات المختلفة التي تشكلها دورًا أكبر.
مركبات الهيدروجين
هذه مواد معقدة تحتوي على ذرات الهيدروجين. هناك عدة أنواع رئيسية من هذه المواد.
- هاليدات الهيدروجين. الصيغة العامة هي الحلال.أهمية خاصة فيما بينها هو كلوريد الهيدروجين. إنه غاز يذوب في الماء ليشكل محلول حمض الهيدروكلوريك. يستخدم هذا الحمض على نطاق واسع في جميع التركيبات الكيميائية تقريبًا. وكلاهما عضوي وغير عضوي. كلوريد الهيدروجين مركب له الصيغة التجريبية HCL وهو واحد من أكبر المركبات من حيث الإنتاج في بلدنا كل عام. تشتمل هاليدات الهيدروجين أيضًا على يوديد الهيدروجين وفلوريد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين. كلهم يشكلون الأحماض المقابلة.
- مركبات الهيدروجين المتطايرة من اللافلزات. جميعهم تقريبًا غازات سامة جدًا. على سبيل المثال ، كبريتيد الهيدروجين والميثان والسيلان والفوسفين وغيرها. علاوة على ذلك ، فهو شديد الاشتعال.
- الهيدريدات مركبات بها معادن. إنهم ينتمون إلى فئة الأملاح.
- الهيدروكسيدات: القواعد والأحماض والمركبات المتذبذبة. وهي تشتمل بالضرورة على ذرات الهيدروجين ، واحدة أو أكثر. مثال: هيدروكسيد الصوديوم ، ك2[AL (OH)4] ، ح2CO4 و اخرين.
- هيدروكسيد الهيدروجين. يُعرف هذا المركب باسم الماء. اسم آخر لأكسيد الهيدروجين. تبدو الصيغة التجريبية هكذا - H.2O.
- بيروكسيد الهيدروجين. هذا هو أقوى عامل مؤكسد ، صيغته لها شكل H.2يا2.
- مركبات عضوية عديدة: هيدروكربونات ، بروتينات ، دهون ، دهون ، فيتامينات ، هرمونات ، زيوت عطرية وغيرها.
من الواضح أن تنوع مركبات العنصر الذي ندرسه كبير جدًا. هذا يؤكد مرة أخرى أهميته العالية بالنسبة للطبيعة والإنسان ، وكذلك لجميع الكائنات الحية.
أكسيد الهيدروجين هو أفضل مذيب
كما ذكر أعلاه ، الاسم الشائعمن هذه المادة هو الماء. يتكون من ذرتين هيدروجين وأكسجين ، متصلتين بروابط تساهمية قطبية. جزيء الماء هو ثنائي القطب ، وهو ما يفسر العديد من خصائصه. على وجه الخصوص ، إنه مذيب عالمي.
تحدث جميع العمليات الكيميائية تقريبًا في البيئة المائية. يتم أيضًا إجراء التفاعلات الداخلية لاستقلاب البلاستيك والطاقة في الكائنات الحية بمساعدة أكسيد الهيدروجين.
يعتبر الماء أهم مادة على هذا الكوكب. من المعروف أنه لا يمكن لأي كائن حي أن يعيش بدونه. على الأرض ، يمكن أن توجد في ثلاث حالات تجميع:
- سائل
- غاز (بخار) ؛
- صلبة (جليد).
هناك ثلاثة أنواع من الماء تعتمد على نظير الهيدروجين الذي يشكل جزءًا من الجزيء.
- خفيف الوزن أو البروتيوم. نظير برقم كتلي 1. الصيغة - H2A. هذا شكل شائع تستخدمه جميع الكائنات الحية.
- الديوتيريوم أو الثقيل ، صيغته هي د2O. يحتوي على نظير 2ن.
- ثقيل للغاية أو التريتيوم. تبدو الصيغة مثل T.3أوه ، نظير - 3ن.
احتياطيات المياه العذبة البروتيوم على الكوكب مهمة للغاية. بالفعل الآن في العديد من البلدان هناك نقص في ذلك. يتم تطوير طرق لمعالجة المياه المالحة من أجل الحصول على مياه الشرب.
بيروكسيد الهيدروجين علاج متعدد الاستخدامات
هذا الاتصال ، كما ذكر أعلاه ،عامل مؤكسد ممتاز. ومع ذلك ، مع وجود ممثلين أقوياء ، يمكن أن تتصرف أيضًا كمرمم. بالإضافة إلى ذلك ، له تأثير مبيد للجراثيم واضح.
اسم آخر لهذا المركب هو بيروكسيد.في هذا الشكل يتم استخدامه في الطب. محلول 3 ٪ من الهيدرات البلورية للمركب المعني هو دواء طبي يستخدم لعلاج الجروح الصغيرة من أجل تطهيرها. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه في هذه الحالة ، يزداد التئام الجروح بمرور الوقت.
كما يستخدم بيروكسيد الهيدروجين في الصواريخالوقود ، في صناعة التطهير والتبييض ، كعامل رغوة للحصول على المواد المناسبة (الرغوة ، على سبيل المثال). بالإضافة إلى ذلك ، يساعد البيروكسيد في تنظيف أحواض السمك وتبييض الشعر وتبييض الأسنان. ومع ذلك ، فإنه في نفس الوقت يضر الأنسجة ، لذلك لا ينصح به من قبل المتخصصين لهذه الأغراض.
