Unde se găsește hidrogenul și de ce este necesar? Ce fel de substanță este hidrogenul? Proprietățile chimice și fizice ale hidrogenului

• Denumirea - H (Hidrogen);
• Nume latin - Hidrogeniu;
• Perioada - I;
• Grupa - 1 (Ia);
• Masa atomică - 1,00794;
• Numărul atomic - 1;
• Raza atomică = 53 pm;
• Raza covalentă = 32 pm;
• Distribuția electronilor - 1s 1;
• temperatura de topire = -259,14°C;
• punctul de fierbere = -252,87°C;
• Electronegativitatea (după Pauling/după Alpred și Rochow) = 2,02/-;
• Stare de oxidare: +1; 0; -1;
• Densitatea (nr.) = 0,0000899 g/cm3;
• Volumul molar = 14,1 cm3/mol.

Compuși binari ai hidrogenului cu oxigenul:

Hidrogenul („dând naștere la apă”) a fost descoperit de omul de știință englez G. Cavendish în 1766. Este cel mai simplu element din natură - un atom de hidrogen are un nucleu și un electron, motiv pentru care hidrogenul este cel mai abundent element din Univers (reprezentând mai mult de jumătate din masa majorității stelelor).

Despre hidrogen putem spune că „bobina este mică, dar scumpă”. În ciuda „simplităţii” sale, hidrogenul furnizează energie tuturor fiinţelor vii de pe Pământ - pe Soare are loc o reacţie termonucleară continuă în care se formează un atom de heliu din patru atomi de hidrogen, acest proces este însoţit de eliberarea unei cantităţi colosale de energie. (pentru mai multe detalii, vezi Fuziunea nucleară).

În scoarța terestră fracție de masă hidrogenul este de numai 0,15%. Între timp, majoritatea covârșitoare (95%) dintre toate substanțele chimice cunoscute pe Pământ conțin unul sau mai mulți atomi de hidrogen.

În compușii cu nemetale (HCl, H 2 O, CH 4 ...), hidrogenul cedează singurul său electron unor elemente mai electronegative, prezentând o stare de oxidare de +1 (mai des), formând doar legături covalente (vezi Covalent). legătură).

În compușii cu metale (NaH, CaH 2 ...), hidrogenul, dimpotrivă, acceptă un alt electron în singurul său orbital s, încercând astfel să-și completeze stratul electronic, prezentând o stare de oxidare de -1 (mai rar), formând adesea o legătură ionică (vezi legătura ionică), deoarece diferența de electronegativitate a atomului de hidrogen și a atomului de metal poate fi destul de mare.

H 2

ÎN stare gazoasă hidrogenul există sub formă de molecule diatomice, formând o legătură covalentă nepolară.

Moleculele de hidrogen au:

• mobilitate mare;
• putere mare;
• polarizabilitate scăzută;
• dimensiuni și greutate mici.

Proprietățile hidrogenului gazos:

• cel mai ușor gaz din natură, incolor și inodor;
• slab solubil în apă și solvenți organici;
• se dizolvă în cantități mici în metale lichide și solide (în special platină și paladiu);
• dificil de lichefiat (datorită polarizabilității sale scăzute);
• are cea mai mare conductivitate termică dintre toate gazele cunoscute;
• când este încălzit, reacţionează cu multe nemetale, prezentând proprietăţile unui agent reducător;
• la temperatura camerei reacţionează cu fluor (se produce o explozie): H 2 + F 2 = 2HF;
• reacţionează cu metalele pentru a forma hidruri, prezentând proprietăți oxidante: H2 + Ca = CaH2;

În compuși, hidrogenul își prezintă proprietățile sale reducătoare mult mai puternic decât proprietățile sale de oxidare. Hidrogenul este cel mai puternic agent reducător după cărbune, aluminiu și calciu. Proprietăți de restaurare hidrogenul este utilizat pe scară largă în industrie pentru a produce metale și nemetale ( substanțe simple) din oxizi şi galide.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Reacții ale hidrogenului cu substanțe simple

Hidrogenul acceptă un electron, jucând un rol agent reducător, în reacții:

• Cu oxigen(la aprindere sau în prezența unui catalizator), în raport de 2:1 (hidrogen:oxigen) se formează un gaz detonant exploziv: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• Cu gri(când este încălzit la 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• Cu clor(atunci când este aprins sau iradiat cu raze UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• Cu fluor: H20 +F2 = 2H +1 F
• Cu azot(atunci când este încălzit în prezența catalizatorilor sau la presiune înaltă): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Hidrogenul donează un electron, jucând un rol agent oxidant, în reacții cu alcalinŞi alcalino-pământos metale cu formarea de hidruri metalice - compuși ionici asemănătoare sărurilor care conțin ioni de hidrură H - acestea sunt substanțe cristaline albe instabile.

Ca+H2 = CaH2-1 2Na+H20 = 2NaH-1

Nu este tipic ca hidrogenul să prezinte o stare de oxidare de -1. Când reacţionează cu apa, hidrurile se descompun, reducând apa la hidrogen. Reacția hidrurii de calciu cu apa este următoarea:

CaH2-1 +2H2 +10 = 2H20 +Ca(OH)2

Reacții ale hidrogenului cu substanțe complexe

• la temperaturi ridicate, hidrogenul reduce mulți oxizi de metal: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• alcoolul metilic se obține prin reacția hidrogenului cu monoxidul de carbon (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• În reacțiile de hidrogenare, hidrogenul reacționează cu multe substanțe organice.

Ecuațiile reacțiilor chimice ale hidrogenului și compușilor săi sunt discutate mai detaliat pe pagina „Hidrogen și compușii săi - ecuații ale reacțiilor chimice care implică hidrogen”.

Aplicații ale hidrogenului

• V energie nucleară se folosesc izotopi de hidrogen - deuteriu și tritiu;
• V industria chimică hidrogenul este folosit pentru a sintetiza multe materie organică, amoniac, acid clorhidric;
• V industria alimentară hidrogenul este utilizat la producerea grăsimilor solide prin hidrogenarea uleiurilor vegetale;
• pentru sudarea și tăierea metalelor se folosește temperatura ridicată de ardere a hidrogenului în oxigen (2600°C);
• în producerea unor metale, hidrogenul este utilizat ca agent reducător (vezi mai sus);
• deoarece hidrogenul este un gaz ușor, este folosit în aeronautică ca umplutură pentru baloane, aerostate și dirijabile;
• Hidrogenul este folosit ca combustibil amestecat cu CO.

Recent, oamenii de știință au acordat multă atenție căutării de surse alternative de energie regenerabilă. Unul dintre direcții promițătoare este energia „hidrogenului”, în care hidrogenul este folosit drept combustibil, al cărui produs de ardere este apa obișnuită.

Metode de producere a hidrogenului

Metode industriale de producere a hidrogenului:

• conversia metanului (reducerea catalitică a vaporilor de apă) cu vapori de apă la temperatură ridicată (800°C) pe un catalizator de nichel: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
• conversia monoxidului de carbon cu vapori de apă (t=500°C) pe un catalizator Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• descompunerea termică a metanului: CH4 = C + 2H2;
• gazeificarea combustibililor solizi (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• electroliza apei (o metodă foarte costisitoare care produce hidrogen foarte pur): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:

• acţiune asupra metalelor (de obicei zinc) cu acid clorhidric sau sulfuric diluat: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2S04 = ZnS04 + H2;
• interacțiunea vaporilor de apă cu pilitura fierbinte de fier: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Hidrogenul (Hydrogenium) a fost descoperit în prima jumătate a secolului al XVI-lea de către medicul și naturalistul german Paracelsus. În 1776, G. Cavendish (Anglia) și-a stabilit proprietățile și și-a indicat diferențele față de alte gaze. Lavoisier a fost primul care a obținut hidrogen din apă și a demonstrat că apa este un compus chimic de hidrogen și oxigen (1783).

Hidrogenul are trei izotopi: protiu, deuteriu sau D și tritiu sau T. numerele de masă sunt egale cu 1, 2 și 3. Protiul și deuteriul sunt stabile, tritiul este radioactiv (timp de înjumătățire 12,5 ani). În compușii naturali, deuteriul și protiul sunt conținute în medie într-un raport de 1:6800 (pe baza numărului de atomi). Tritiul se găsește în natură în cantități neglijabile.

Nucleul unui atom de hidrogen conține un proton. Nucleele de deuteriu și tritiu includ, pe lângă proton, unul și, respectiv, doi neutroni.

Molecula de hidrogen este formată din doi atomi. Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de hidrogen:

Energia de ionizare atomică, eV 13,60

Afinitatea electronilor atomului, eV 0,75

Electronegativitatea relativă 2.1

Raza atomică, nm 0,046

Distanța internucleară într-o moleculă, nm 0,0741

Eitalpia standard de disociere moleculară la 436,1

115. Hidrogenul în natură. Producția de hidrogen.

Hidrogenul în stare liberă se găsește pe Pământ doar în cantități mici. Uneori este eliberat împreună cu alte gaze în timpul erupțiilor vulcanice, precum și din forarea puțurilor în timpul producției de petrol. Dar sub formă de compuși, hidrogenul este foarte comun. Acest lucru se poate observa din faptul că reprezintă o nouă parte din masa apei. Hidrogenul se găsește în toate organismele vegetale și animale, petrol, cărbune și cărbune brun, gaze naturale și o serie de minerale. Procentul de hidrogen din masa totală scoarta terestra, numărând apa și aerul, reprezintă aproximativ 1%. Cu toate acestea, atunci când este convertit în procente din numărul total de atomi, conținutul de hidrogen din scoarța terestră este de 17%.

Hidrogenul este cel mai abundent element din cosmos. Reprezintă aproximativ jumătate din masa Soarelui și a majorității celorlalte stele. Se găsește în nebuloasele de gaz, în gazul interstelar și face parte din stele. În interiorul stelelor, nucleele atomilor de hidrogen se transformă în nucleele atomilor de heliu. Acest proces are loc odată cu eliberarea de energie pentru multe stele, inclusiv pentru Soare, el servește ca sursă principală de energie. Viteza procesului, adică numărul de nuclee de hidrogen care se transformă în nuclee de heliu într-un metru cub într-o secundă, este mică. Prin urmare, cantitatea de energie eliberată pe unitatea de timp pe unitatea de volum este mică. Cu toate acestea, datorită masei enorme a Soarelui, cantitatea totală de energie generată și emisă de Soare este foarte mare. Aceasta corespunde unei scăderi a masei Soarelui cu aproximativ pe secundă.

În industrie, hidrogenul este produs în principal din gaze naturale. Acest gaz, constând în principal din metan, este amestecat cu vapori de apă și oxigen. Când un amestec de gaze este încălzit în prezența unui catalizator, are loc o reacție, care poate fi reprezentată schematic prin ecuația:

Amestecul de gaze rezultat este separat. Hidrogenul este purificat și fie utilizat la punctul de producție, fie transportat în cilindri de oțel la presiune ridicată.

O metodă industrială importantă pentru producerea hidrogenului este, de asemenea, separarea acestuia de gazul cuptorului de cocs sau de gazele de rafinare a petrolului. Se realizează prin răcire profundă, în care toate gazele, cu excepția hidrogenului, sunt lichefiate.

În laboratoare, hidrogenul este produs în mare parte prin electroliza soluțiilor apoase. Concentrația acestor soluții este aleasă astfel încât să corespundă conductivității lor electrice maxime. Electrozii sunt de obicei fabricați din foi de nichel. Acest metal nu se corodează în soluții alcaline, chiar și ca anod. Dacă este necesar, hidrogenul rezultat este purificat din vapori de apă și urme de oxigen. Printre alte metode de laborator, cea mai comună metodă este separarea hidrogenului din soluțiile de acizi sulfuric sau clorhidric prin acțiunea zincului asupra acestora. Reacția se realizează de obicei într-un aparat Kipp (Fig. 105).

Cel mai comun element chimic din Univers este hidrogenul. Acesta este un fel de punct de referință, deoarece în tabelul periodic numărul său atomic este egal cu unu. Omenirea speră că poate afla mai multe despre ea ca fiind una dintre cele mai posibile vehiculeîn viitor. Hidrogenul este cel mai simplu, mai ușor, cel mai comun element, există o mulțime de el peste tot - șaptezeci și cinci la sută din masa totală a materiei. Este prezent în orice stea, în special la giganții gazosi. Rolul său în reacțiile de fuziune stelară este cheie. Fără hidrogen nu există apă, ceea ce înseamnă că nu există viață. Toată lumea își amintește că o moleculă de apă conține un atom de oxigen și doi atomi din ea sunt hidrogen. Aceasta este formula binecunoscută H2O.

Cum îl folosim

Hidrogenul a fost descoperit în 1766 de Henry Cavendish în timp ce analiza reacția de oxidare a unui metal. După câțiva ani de observații, a realizat că în timpul arderii hidrogenului se formează apă. Anterior, oamenii de știință au izolat acest element, dar nu l-au considerat independent. În 1783, hidrogenul a primit numele de hidrogen (tradus din grecescul „hydro” - apă și „gen” - pentru a da naștere). Elementul care produce apa este hidrogenul. Acesta este un gaz a cărui formulă moleculară este H2. Dacă temperatura este apropiată de temperatura camerei și presiunea este normală, acest element este imperceptibil. Este posibil ca hidrogenul să nu fie detectat nici măcar de simțurile umane - este insipid, incolor și inodor. Dar sub presiune și la o temperatură de -252,87 C (foarte rece!) acest gaz se lichefiază. Așa se depozitează, deoarece sub formă de gaz ocupă mult mai mult spațiu. Hidrogenul lichid este folosit ca combustibil pentru rachete.

Hidrogenul poate deveni solid, metalic, dar acest lucru necesită o presiune ultra-înaltă și asta fac cei mai proeminenți oameni de știință - fizicieni și chimiști - acum. Deja acum acest element servește drept combustibil alternativ pentru transport. Utilizarea sa este similară cu modul în care funcționează un motor cu ardere internă: atunci când hidrogenul este ars, se eliberează o mare parte din acesta. energie chimică. S-a dezvoltat practic și o metodă de creare a unei pile de combustie pe baza acesteia: atunci când este combinată cu oxigenul, are loc o reacție și prin aceasta se formează apă și electricitate. Poate că în curând transportul va „trece” de la benzină la hidrogen - mulți producători de automobile sunt interesați să creeze materiale combustibile alternative și există succese. Dar un motor pur cu hidrogen este încă în viitor, există multe dificultăți aici. Cu toate acestea, avantajele sunt de așa natură încât crearea unui rezervor de combustibil cu hidrogen solid este în plină desfășurare, iar oamenii de știință și inginerii nu se vor retrage.

Bazele

Hidrogenul (lat.) - hidrogenul, primul număr de serie din tabelul periodic, este desemnat H. Atomul de hidrogen are o masă de 1,0079, este un gaz care în condiții normale nu are gust, miros, nici culoare. Chimiștii din secolul al XVI-lea au descris un anumit gaz inflamabil, denotându-l în moduri diferite. Dar a funcționat pentru toată lumea în aceleași condiții - când metalul a fost expus la acid. Hidrogenul, chiar și de către Cavendish însuși, a fost numit pur și simplu „aer inflamabil” timp de mulți ani. Abia în 1783 Lavoisier a dovedit că apa are o compoziție complexă prin sinteză și analiză, iar patru ani mai târziu a dat „aerului combustibil” numele său modern. Rădăcina acestui lucru cuvânt compus este utilizat pe scară largă atunci când este necesară denumirea compușilor cu hidrogen și a oricăror procese în care este implicat. De exemplu, hidrogenare, hidrură și altele asemenea. O nume rusesc propusă în 1824 de M. Solovyov.

În natură, distribuția acestui element nu are egal. În litosfera și hidrosfera scoarței terestre, masa acesteia este de unu la sută, dar atomii de hidrogen sunt de până la șaisprezece procente. Apa este cea mai abundentă pe Pământ, iar 11,19% din masă este hidrogen. De asemenea, este prezent cu siguranță în aproape toți compușii care formează petrolul, cărbunele, toate gazele naturale și argila. Există hidrogen în toate organismele plantelor și animalelor - în proteine, grăsimi, acizi nucleici, carbohidrați și așa mai departe. Starea liberă nu este tipică pentru hidrogen și aproape niciodată nu apare - există foarte puțin din ea în gazele naturale și vulcanice. O cantitate foarte nesemnificativă de hidrogen din atmosferă este de 0,0001%, după numărul de atomi. Dar fluxuri întregi de protoni reprezintă hidrogenul în spațiul apropiat al Pământului, care alcătuiește centura internă de radiații a planetei noastre.

Spaţiu

Niciun element nu este atât de comun în spațiu ca hidrogenul. Volumul hidrogenului din elementele Soarelui este mai mult de jumătate din masa sa. Majoritatea stelelor produc hidrogen sub formă de plasmă. Cea mai mare parte a diferitelor gaze ale nebuloaselor și a mediului interstelar constă, de asemenea, din hidrogen. Este prezent în comete și în atmosfera unui număr de planete. Desigur, nu în forma sa pură - uneori ca H2 liber, alteori ca metan CH4, alteori ca amoniac NH3, chiar și ca apă H2O. Radicalii CH, NH, SiN, OH, PH și altele asemenea sunt foarte comune. Ca flux de protoni, hidrogenul face parte din radiația solară corpusculară și razele cosmice.

În hidrogenul obișnuit, un amestec de doi izotopi stabili este hidrogen ușor (sau protium 1 H) și hidrogen greu (sau deuteriu - 2 H sau D). Există și alți izotopi: tritiu radioactiv - 3 H sau T, în caz contrar - hidrogen supergreu. Și, de asemenea, foarte instabil 4 H. În natură, compusul de hidrogen conține izotopi în următoarele proporții: pentru un atom de deuteriu există 6800 de atomi de proțiu. Tritiul se formează în atmosferă din azot, care este afectat de neutronii din razele cosmice, dar în cantități neglijabile. Ce înseamnă numerele de masă ale izotopilor? Numărul indică faptul că nucleul de protium are un singur proton, în timp ce deuteriul are nu numai un proton, ci și un neutron în nucleul atomic. Tritiul în nucleul său are deja doi neutroni pentru fiecare proton. Dar 4 H conține trei neutroni pe proton. De aceea proprietăți fizice iar proprietățile chimice ale izotopilor de hidrogen sunt foarte diferite în comparație cu izotopii tuturor celorlalte elemente - diferența de masă este prea mare.

Structură și proprietăți fizice

Structura atomului de hidrogen este cea mai simplă în comparație cu toate celelalte elemente: un nucleu - un electron. Potențial de ionizare - energia de legare a unui nucleu la un electron - 13,595 electron volți (eV). Tocmai din cauza simplității acestei structuri atomul de hidrogen este convenabil ca model în mecanica cuantică atunci când este necesar să se calculeze nivelurile de energie ale atomilor mai complecși. În molecula H2 există doi atomi care sunt legați printr-o legătură covalentă chimică. Energia de dezintegrare este foarte mare. Hidrogenul atomic se poate forma în reactii chimice, cum ar fi zincul și acidul clorhidric. Cu toate acestea, practic nu are loc nicio interacțiune cu hidrogenul - starea atomică a hidrogenului este foarte scurtă, atomii se recombină imediat în molecule de H2.

Din punct de vedere fizic, hidrogenul este mai ușor decât toate substanțele cunoscute - de peste paisprezece ori mai ușor decât aerul (amintiți-vă că baloanele care zboară în vacanță - au hidrogen în interior). Cu toate acestea, poate fierbe, lichefia, topi, solidifica și doar heliul fierbe și se topește la temperaturi mai scăzute. Este greu de lichefiat, ai nevoie de o temperatură sub -240 de grade Celsius. Dar are o conductivitate termică foarte mare. Este aproape insolubil în apă, dar interacționează bine cu hidrogenul metalelor - se dizolvă în aproape toate, cel mai bine în paladiu (un volum de hidrogen necesită opt sute cincizeci de volume). Hidrogenul lichid este ușor și fluid, iar atunci când este dizolvat în metale, deseori distruge aliajele din cauza interacțiunii cu carbonul (oțel, de exemplu), au loc difuzia și decarbonizarea.

Proprietăți chimice

În compuși, în cea mai mare parte, hidrogenul prezintă o stare de oxidare (valență) de +1, ca sodiul și alte metale alcaline. Este considerat analogul lor, fiind în fruntea primului grup al sistemului periodic. Dar ionul de hidrogen din hidrurile metalice este încărcat negativ, cu o stare de oxidare de -1. Acest element este, de asemenea, aproape de halogeni, care sunt chiar capabili să-l înlocuiască în compuși organici. Aceasta înseamnă că hidrogenul poate fi atribuit și celui de-al șaptelea grup al sistemului periodic. În condiții normale, moleculele de hidrogen nu diferă ca activitate, combinându-se doar cu cele mai active nemetale: bune cu fluor, iar dacă sunt ușoare - cu clor. Dar atunci când este încălzit, hidrogenul devine diferit - reacționează cu multe elemente. Hidrogenul atomic, în comparație cu hidrogenul molecular, este foarte activ din punct de vedere chimic, astfel încât apa se formează în legătură cu oxigenul, iar energia și căldura sunt eliberate simultan. La temperatura camerei, această reacție este foarte lentă, dar când este încălzită peste cinci sute cincizeci de grade, are loc o explozie.

Hidrogenul este folosit pentru a reduce metalele, deoarece elimină oxigenul din oxizii lor. Cu fluor, hidrogenul formează o explozie chiar și în întuneric și la minus două sute cincizeci și două de grade Celsius. Clorul și bromul excită hidrogenul numai atunci când sunt încălzite sau iluminate, iar iodul numai când sunt încălzite. Hidrogenul și azotul formează amoniac (așa se fac majoritatea îngrășămintelor). Când este încălzit, reacționează foarte activ cu sulful și se obține hidrogen sulfurat. Este dificil să provoci o reacție de hidrogen cu teluriu și seleniu, dar cu carbon pur reacția are loc la foarte temperaturi ridicate, iar metanul este produs. Hidrogenul formează diverși compuși organici cu monoxidul de carbon, presiunea, temperatura, catalizatorii influențează acest lucru și toate acestea sunt de mare importanță practică. În general, rolul hidrogenului, precum și al compușilor săi, este extrem de important, deoarece conferă proprietăți acide acizilor protici. O legătură de hidrogen se formează cu multe elemente, afectând proprietățile compușilor anorganici și organici.

Primire și utilizare

Hidrogenul este produs la scară industrială din gaze naturale - gaze combustibile, gaze din cuptorul de cocs și gaze de rafinare a petrolului. Poate fi produs și prin electroliză acolo unde electricitatea nu este prea scumpă. Cu toate acestea, cea mai importantă metodă de producere a hidrogenului este interacțiunea catalitică a hidrocarburilor, în special metanul, cu vaporii de apă, unde se obține conversia. Metoda de oxidare a hidrocarburilor cu oxigen este, de asemenea, utilizată pe scară largă. Producerea hidrogenului din gaze naturale este cea mai ieftină cale. Celelalte două sunt utilizarea gazului cuptorului de cocs și a gazului de rafinărie - hidrogenul este eliberat atunci când componentele rămase sunt lichefiate. Sunt mai ușor de lichefiat, iar pentru hidrogen, după cum ne amintim, aveți nevoie de -252 de grade.

Peroxidul de hidrogen este foarte popular în utilizare. Tratamentul cu această soluție este folosit foarte des. Formula moleculară H 2 O 2 este puțin probabil să fie numită de toate acele milioane de oameni care vor să fie blonde și să-și deschidă părul, precum și de cei care iubesc curățenia în bucătărie. Chiar și cei care tratează zgârieturile primite de la jocul cu un pisoi de cele mai multe ori nu își dau seama că folosesc tratament cu hidrogen. Dar toată lumea cunoaște istoria: din 1852, hidrogenul a fost folosit multă vreme în aeronautică. Dirijabilul, inventat de Henry Giffard, a fost creat pe baza de hidrogen. Se numeau zeppelini. Zepeline deplasate din cer dezvoltare rapidă fabricarea aeronavelor. În 1937, a avut loc un accident major când dirijabilul Hindenburg a ars. După acest incident, zeppelinurile nu au mai fost folosite niciodată. Dar la sfârșitul secolului al XVIII-lea, distribuția baloanelor umplute cu hidrogen era larg răspândită. Pe lângă producția de amoniac, hidrogenul este acum necesar pentru producerea de alcool metilic și alți alcooli, benzină, lichide hidrogenate de combustibil greu și combustibili solizi. Nu puteți face fără hidrogen la sudare, la tăierea metalelor - poate fi oxigen-hidrogen și atom-hidrogen. Iar tritiul și deuteriul dau viață energiei nucleare. Acestea, după cum ne amintim, sunt izotopi ai hidrogenului.

Neumyvakin

Hidrogenul este un element chimic atât de bun încât are propriile sale ventilatoare. Ivan Pavlovici Neumyvakin - medic stiinte medicale, profesor, laureat al Premiului de Stat și are mult mai multe titluri și premii, printre acestea. Fiind doctor în medicină tradițională, este numit cel mai bun vindecător popular din Rusia. El a fost cel care a dezvoltat multe metode și principii de a oferi îngrijiri medicale astronauților în zbor. El a creat un spital unic - un spital la bordul unei nave spațiale. Totodată, a fost coordonatorul de stat pentru medicina cosmetică. Spațiu și cosmetică. Pasiunea lui pentru hidrogen nu are ca scop să câștige bani mari, așa cum se întâmplă acum în medicina casnică, ci, dimpotrivă, să învețe oamenii cum să vindece orice cu un remediu pe bani, fără o vizită suplimentară la o farmacie.

El promovează tratamentul cu un medicament care este prezent în fiecare casă. Acesta este peroxid de hidrogen. Poți să-l critici pe Neumyvakin cât vrei, el va insista în continuare pe cont propriu: da, într-adevăr, literalmente totul poate fi vindecat cu peroxid de hidrogen, pentru că se saturează celule interne organismul cu oxigen, distruge toxinele, normalizează echilibrul acid și alcalin, iar de aici se regenerează țesuturile, întregul organism este întinerit. Nimeni nu a văzut încă pe cineva vindecat cu peroxid de hidrogen, cu atât mai puțin i-a examinat, dar Neumyvakin susține că, folosind acest remediu, puteți scăpa complet de bolile virale, bacteriene și fungice, puteți preveni dezvoltarea tumorilor și aterosclerozei, puteți învinge depresia, întineri. corpul și să nu se îmbolnăvească niciodată ARVI și răceli.

Panaceu

Ivan Pavlovich este încrezător că, cu utilizarea corectă a acestui medicament simplu și urmând toate instrucțiunile simple, puteți depăși multe boli, inclusiv pe cele foarte grave. Lista este uriașă: de la boala parodontală și amigdalita la infarct miocardic, accidente vasculare cerebrale și diabet. Asemenea fleacuri precum sinuzita sau osteocondroza dispar de la primele sedinte de tratament. Chiar și tumorile canceroase se sperie și fug de peroxid de hidrogen, deoarece sistemul imunitar este stimulat, viața organismului și apărarea acestuia sunt activate.

Chiar și copiii pot fi tratați în acest fel, cu excepția faptului că este mai bine ca femeile însărcinate să se abțină de la consumul de peroxid de hidrogen deocamdată. De asemenea, nu este recomandat această metodă persoanele cu organe transplantate din cauza posibilei incompatibilități tisulare. Doza trebuie respectată cu strictețe: de la o picătură la zece, adăugând una în fiecare zi. De trei ori pe zi (treizeci de picături dintr-o soluție de trei procente de peroxid de hidrogen pe zi, wow!) cu o jumătate de oră înainte de masă. Soluția poate fi administrată intravenos și sub supraveghere medicală. Uneori, peroxidul de hidrogen este combinat cu alte medicamente pentru un efect mai eficient. Soluția este utilizată intern numai în formă diluată - cu apă curată.

Pe plan extern

Chiar înainte ca profesorul Neumyvakin să-și creeze metoda, compresele și clătirile erau foarte populare. Toată lumea știe că, la fel ca și compresele cu alcool, peroxidul de hidrogen nu poate fi folosit în forma sa pură, deoarece va provoca arsuri ale țesuturilor, dar verucile sau infecțiile fungice sunt lubrifiate local cu o soluție puternică - până la cincisprezece la sută.

Pentru erupții cutanate și dureri de cap, se fac și proceduri care implică peroxid de hidrogen. Compresa trebuie făcută folosind o cârpă de bumbac înmuiată într-o soluție de două lingurițe de peroxid de hidrogen de trei procente și cincizeci de miligrame de apă curată. Acoperiți țesătura cu folie și înfășurați-o cu lână sau un prosop. Compresa durează de la un sfert de oră până la o oră și jumătate dimineața și seara până la recuperare.

Opinia medicilor

Părerile sunt împărțite; Printre medici se numără și cei care l-au susținut pe Neumyvakin și chiar au preluat dezvoltarea teoriei sale, dar sunt o minoritate. Majoritatea medicilor consideră acest tip de tratament nu numai ineficient, ci și adesea dezastruos.

Într-adevăr, nu există încă un singur caz dovedit oficial în care un pacient a fost vindecat cu peroxid de hidrogen. În același timp, nu există informații despre deteriorarea sănătății în legătură cu utilizarea acestei metode. Dar se pierde timp prețios, iar o persoană care a primit una dintre bolile grave și se bazează complet pe panaceul lui Neumyvakin riscă să întârzie la începerea tratamentului său tradițional.

Hidrogenîmpreună cu azot, oxigen și carbon aparține grupului așa-numitelor elemente organogenice.

Din aceste elemente este format în principal corpul uman. Proporția de hidrogen din el ajunge la 10% din masă și 50% din numărul de atomi ( fiecare al doilea atom din corp este hidrogen).

Hidrogenul este cel mai comun element din universul nostru - ponderea sa este de aproximativ 75% din masă și 92% din numărul de atomi. Spre deosebire de oxigen, care există atât în ​​natură, cât și în organism sub formă liberă, hidrogenul se găsește aproape în întregime sub forma compușilor săi (compusul principal hidrogen - apă).

Rolul biologic al hidrogenului

Hidrogenul ca element separat nu are valoare biologică. Compușii pe care îi conține sunt importanți pentru organism, și anume apa, proteinele, grăsimi, carbohidrați, vitamine, biologic substanțe active(cu excepția mineralelor), etc. Cea mai mare valoare, desigur, este combinația de hidrogen și oxigen - apă, care este de fapt mediul pentru existența tuturor celulelor corpului. Un alt grup conexiuni importante Hidrogenul sunt acizi - capacitatea lor de a elibera ioni de hidrogen face posibilă formarea pH-ului mediului. O funcție importantă a hidrogenului este și capacitatea sa de a forma legături de hidrogen, care, de exemplu, formează forme active de proteine ​​și structura dublu catenară a ADN-ului în spațiu.

Principalele surse alimentare de hidrogen

Hidrogenul se găsește în aproape toate substanțele alimentare, dar cea mai mare parte intră în organism sub formă de apă.

Cauzele deficitului de hidrogen

Nu există o deficiență de hidrogen ca atare, o deficiență a compușilor săi, de exemplu, apă, este observată atunci când există un aport insuficient în organism sau o excreție accelerată necompensată.

Consecințele deficienței de hidrogen

La fel ca și în cazul cauzelor, se observă consecințele unei deficiențe a compușilor săi, cel mai adesea apă. În acest caz, se observă următoarele: deshidratare, sete, scăderea turgenței tisulare, uscarea pielii și a mucoaselor, creșterea concentrației sanguine, hipotensiune arterială.

Excesul de hidrogen

Nici un exces de hidrogen ca atare este posibil; În acest caz, se observă o imagine caracteristică unui anumit compus. De exemplu, în cazul excesului de apă (suprahidratare) cel mai des observat umflarea.

Cererea zilnică de hidrogen: nestandardizată

Hidrogenul este un element chimic cu simbolul H și numărul atomic 1. Cu o greutate atomică standard de aproximativ 1,008, hidrogenul este cel mai ușor element din tabelul periodic. Forma sa monoatomică (H) este cea mai abundentă substanță chimică din Univers, reprezentând aproximativ 75% din masa totală a barionului. Stelele sunt compuse în principal din hidrogen în stare de plasmă. Cel mai comun izotop al hidrogenului, numit protium (acest nume este rar folosit, simbolul 1H), are un proton și nici un neutron. Apariția pe scară largă a hidrogenului atomic a avut loc pentru prima dată în timpul erei recombinării. La temperaturi și presiuni standard, hidrogenul este un gaz biatomic incolor, inodor, fără gust, netoxic, nemetalic, inflamabil, cu formula moleculară H2. Deoarece hidrogenul formează cu ușurință legături covalente cu majoritatea elementelor nemetalice, majoritatea hidrogenului de pe Pământ există în forme moleculare, cum ar fi apa sau compuși organici. Hidrogenul joacă un rol deosebit de important în reacțiile acido-bazice deoarece majoritatea reacțiilor pe bază de acid implică schimbul de protoni între moleculele solubile. În compușii ionici, hidrogenul poate lua forma unei sarcini negative (adică un anion), unde este cunoscut sub numele de hidrură, sau ca formă încărcată pozitiv (adică, cation), notat cu simbolul H+. Cationul de hidrogen este descris ca fiind alcătuit dintr-un proton simplu, dar, în realitate, cationii de hidrogen din compușii ionici sunt întotdeauna mai complexi. Fiind singurul atom neutru pentru care ecuația Schrödinger poate fi rezolvată analitic, hidrogenul (și anume, studiul energeticii și legăturile atomului său) a jucat un rol cheie în dezvoltarea mecanicii cuantice. Hidrogenul gazos a fost produs pentru prima dată artificial la începutul secolului al XVI-lea prin reacția acizilor cu metalele. În 1766-81. Henry Cavendish a fost primul care a recunoscut că hidrogenul gazos era o substanță discretă și că producea apă atunci când era ars, dându-i numele: în greacă, hidrogen înseamnă „producător de apă”. Producția industrială de hidrogen implică în primul rând conversia cu abur a gazului natural și, mai rar, metode mai consumatoare de energie, cum ar fi electroliza apei. Majoritatea hidrogenului este folosit aproape de locul în care este produs, cele două utilizări cele mai comune fiind procesarea combustibililor fosili (cum ar fi hidrocracarea) și producția de amoniac, în principal pentru piața îngrășămintelor. Hidrogenul este o preocupare în metalurgie, deoarece poate face multe metale casante, ceea ce face dificilă proiectarea conductelor și a rezervoarelor de stocare.

Proprietăți

Combustie

Hidrogenul gazos (dihidrogen sau hidrogen molecular) este un gaz inflamabil care va arde în aer într-un interval foarte larg de concentrații de la 4% la 75% în volum. Entalpia de ardere este de 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Hidrogenul gazos formează amestecuri explozive cu aerul în concentrații de la 4-74% și cu clorul în concentrații de până la 5,95%. Reacțiile explozive pot fi cauzate de scântei, căldură sau lumina soarelui. Temperatura de autoaprindere a hidrogenului, temperatura la care se aprinde spontan în aer, este de 500 °C (932 °F). Flăcările de hidrogen-oxigen pur emit radiații ultraviolete și, cu un amestec ridicat de oxigen, sunt aproape invizibile cu ochiul liber, așa cum demonstrează pluma slabă a motorului principal al navetei spațiale în comparație cu penarul foarte vizibil al navetei spațiale Solid Rocket Booster, care utilizează un compozit de perclorat de amoniu. Poate fi necesar un detector de flacără pentru a detecta o scurgere de hidrogen care arde; astfel de scurgeri pot fi foarte periculoase. O flacără de hidrogen este albastră în alte condiții și seamănă cu flacăra albastră a gazului natural. Scufundarea aeronavei Hindenburg este un exemplu infam de ardere a hidrogenului, iar problema este încă dezbătută. Flăcările portocalii vizibile din acest incident au fost cauzate de expunerea la un amestec de hidrogen și oxigen combinat cu compuși de carbon din pielea aeronavei. H2 reacționează cu fiecare element oxidant. Hidrogenul poate reacționa spontan la temperatura camerei cu clorul și fluorul pentru a forma halogenuri de hidrogen, acid clorhidric și fluorură de hidrogen corespunzătoare, care sunt, de asemenea, acizi potențial periculoși.

Nivelurile de energie a electronilor

Nivelul de energie al unui electron într-un atom de hidrogen este -13,6 eV, ceea ce este echivalent cu un foton ultraviolet cu o lungime de undă de aproximativ 91 nm. Nivelurile de energie ale hidrogenului pot fi calculate destul de precis folosind modelul Bohr al atomului, care conceptualizează electronul ca un proton „orbital”, analog cu orbita Soarelui a Pământului. Cu toate acestea, electronul atomic și protonul sunt ținute împreună prin forța electromagnetică, în timp ce planetele și obiectele cerești sunt ținute împreună prin gravitație. Datorită discretizării momentului unghiular postulată în mecanica cuantică timpurie de către Bohr, electronul din modelul lui Bohr poate ocupa doar anumite distanțe admisibile față de proton și, prin urmare, doar anumite energii admisibile. O descriere mai precisă a atomului de hidrogen provine dintr-un tratament pur mecanic cuantic, care utilizează ecuația Schrödinger, ecuația Dirac sau chiar circuitul integrat Feynman pentru a calcula distribuția probabilității densității unui electron în jurul unui proton. Cele mai multe metode complexe procesarea vă permite să obțineți efecte mici teorie specială relativitatea și polarizarea în vid. În prelucrarea cuantică, electronul dintr-un atom de hidrogen în starea fundamentală nu are deloc cuplu, ilustrând modul în care o „orbita planetară” este diferită de mișcarea electronului.

Forme moleculare elementare

Există doi izomeri de spin diferiți ai moleculelor de hidrogen diatomic, care diferă prin spinul relativ al nucleelor ​​lor. În forma ortohidrogenului, spinii celor doi protoni sunt paraleli și formează o stare triplet cu un număr cuantic de spin molecular de 1 (1/2 + 1/2); sub formă de parahidrogen, spinii sunt antiparaleli și formează un singlet cu un număr cuantic de spin molecular de 0 (1/2 1/2). La temperatura și presiunea standard, hidrogenul gazos conține aproximativ 25% formă para și 75% formă orto, cunoscută și sub numele de „forma normală”. Raportul de echilibru dintre ortohidrogen și parahidrogen depinde de temperatură, dar deoarece forma orto este o stare excitată și are o energie mai mare decât forma para, este instabilă și nu poate fi purificată. La temperaturi foarte scăzute, starea de echilibru constă aproape exclusiv din forma para. Proprietăți termice Fazele lichide și gazoase ale parahidrogenului pur diferă semnificativ de proprietățile formei normale datorită diferențelor de capacități termice de rotație, care este discutată mai detaliat în izomerii de spin ai hidrogenului. Distincția orto/pereche apare și în alte molecule sau grupări funcționale care conțin hidrogen, cum ar fi apa și metilen, dar acest lucru are o semnificație mică pentru proprietățile lor termice. Interconversia necatalizată între para și orto H2 crește odată cu creșterea temperaturii; Astfel, H2 condensat rapid conține cantități mari de formă ortogonală de înaltă energie, care este convertită foarte lent în forma para. Coeficientul orto/para în H2 condensat este factor important la prepararea și depozitarea hidrogenului lichid: conversia din orto în vapori este exotermă și oferă suficientă căldură pentru a vaporiza o parte din hidrogenul lichid, rezultând pierderea materialului lichefiat. Catalizatorii pentru conversia orto-para, cum ar fi oxidul de fier, cărbunele activ, azbest platinizat, metalele pământurilor rare, compușii de uraniu, oxidul de crom sau unii compuși de nichel sunt utilizați pentru răcirea cu hidrogen.

faze

Hidrogen gazos

Hidrogen lichid

Hidrogen nămol

Hidrogen solid

Hidrogen metalic

Conexiuni

Compuși covalenti și organici

Deși H2 nu este foarte reactiv în condiții standard, formează compuși cu majoritatea elementelor. Hidrogenul poate forma compuși cu elemente care sunt mai electronegative, cum ar fi halogeni (de exemplu, F, Cl, Br, I) sau oxigen; în acești compuși, hidrogenul capătă o sarcină pozitivă parțială. Atunci când este legat de fluor, oxigen sau azot, hidrogenul poate forma o legătură necovalentă de rezistență medie cu hidrogenul altor molecule similare, un fenomen numit legături de hidrogen, care este esențial pentru stabilitatea multor molecule biologice. Hidrogenul formează, de asemenea, compuși cu elemente mai puțin electronegative, cum ar fi metalele și metaloizii, unde primește o sarcină negativă parțială. Acești compuși sunt adesea cunoscuți ca hidruri. Hidrogenul formează o mare varietate de compuși cu carbon, numiți hidrocarburi, și o varietate și mai mare de compuși cu heteroatomi, care, datorită asocierii lor comune cu viețuitoarele, se numesc compuși organici. Studiază proprietățile lor chimie organică, iar studiul lor în contextul organismelor vii este cunoscut sub numele de biochimie. După unele definiții, compușii „organici” trebuie să conțină doar carbon. Cu toate acestea, majoritatea conțin și hidrogen și, deoarece legătura carbon-hidrogen este cea care conferă acestei clase de compuși cea mai mare parte a specificului lor. caracteristici chimice, legăturile carbon-hidrogen sunt necesare în unele definiții ale cuvântului „organic” în chimie. Milioane de hidrocarburi sunt cunoscute și se formează de obicei prin căi sintetice complexe care rareori implică hidrogenul elementar.

Hidruri

Compușii cu hidrogen sunt adesea numiți hidruri. Termenul „hidrură” presupune că atomul de H a căpătat un caracter negativ sau anionic, denumit H-, și este utilizat atunci când hidrogenul formează un compus cu un element mai electropozitiv. Existența unui anion hidrură, propus de Gilbert N. Lewis în 1916 pentru hidrurile care conțin sare din grupele 1 și 2, a fost demonstrată de Moers în 1920 prin electroliza hidrurii de litiu (LiH) topit, producând o cantitate stoechiometrică de hidrogen la anodul. Pentru hidruri, altele decât metalele din grupele 1 și 2, termenul este înșelător, având în vedere electronegativitatea scăzută a hidrogenului. Excepția de la hidrurile din grupa 2 este BeH2, care este polimeric. În hidrura de litiu-aluminiu, anionul AlH-4 poartă centrii de hidrură atașați ferm de Al(III). Deși hidrurile se pot forma în aproape toate elementele grupului principal, numărul și combinația de compuși posibili variază foarte mult; de exemplu, sunt cunoscute mai mult de 100 de hidruri de boran binare și doar o hidrură de aluminiu binară. Hidrura de indiu binară nu a fost încă identificată, deși există complexe mari. În chimia anorganică, hidrurile pot servi și ca liganzi de legătură care leagă doi centri metalici într-un complex de coordonare. Această funcție este caracteristică în special elementelor din grupa 13, în special în borani (hidruri de bor) și complexe de aluminiu, precum și în carboranii grupați.

Protoni și acizi

Oxidarea hidrogenului îi îndepărtează electronul și produce H+, care nu conține electroni și un nucleu care de obicei este format dintr-un singur proton. Acesta este motivul pentru care H+ este adesea numit proton. Această specie este esențială în discuția despre acizi. Conform teoriei Bronsted-Lowry, acizii sunt donatori de protoni, iar bazele sunt acceptori de protoni. Protonul gol, H+, nu poate exista în soluție sau în cristale ionice din cauza atracției sale irezistibile față de alți atomi sau molecule cu electroni. Cu excepția temperaturilor ridicate asociate cu plasmă, astfel de protoni nu pot fi îndepărtați din norii de electroni ai atomilor și moleculelor și vor rămâne atașați de ei. Cu toate acestea, termenul „proton” este uneori folosit metaforic pentru a se referi la hidrogenul încărcat pozitiv sau cationic atașat la alte specii în acest mod și, ca atare, este denumit „H+” fără nicio implicație că protonii individuali există liber ca specie. Pentru a evita apariția unui „proton solvat” gol în soluție, uneori se crede că este acid solutii apoase conțin o specie fictivă mai puțin probabilă numită „ionul de hidroniu” (H3O+). Cu toate acestea, chiar și în acest caz, astfel de cationi de hidrogen solvat sunt percepuți mai realist ca grupuri organizate care formează specii apropiate de H9O+4. Alți ioni de oxoniu se găsesc atunci când apa este în soluție acidă cu alți solvenți. În ciuda aspectului său exotic pe Pământ, unul dintre cei mai comuni ioni din Univers este H+3, cunoscut sub numele de hidrogen molecular protonat sau cation trihidrogen.

Izotopi

Hidrogenul are trei izotopi naturali, denumiți 1H, 2H și 3H. Alte nuclee foarte instabile (4H la 7H) au fost sintetizate în laborator, dar nu au fost observate în natură. 1H este cel mai abundent izotop al hidrogenului cu o abundență de peste 99,98%. Deoarece nucleul acestui izotop este format dintr-un singur proton, i se dă numele formal descriptiv, dar rar folosit protium. 2H, un alt izotop stabil al hidrogenului, este cunoscut sub numele de deuteriu și conține un proton și un neutron în nucleul său. Se crede că tot deuteriul din Univers a fost produs în timpul big bangși a existat de atunci până acum. Deuteriul nu este un element radioactiv și nu prezintă un risc semnificativ de toxicitate. Apa îmbogățită cu molecule care includ deuteriu în loc de hidrogen normal se numește apă grea. Deuteriul și compușii săi sunt utilizați ca un trasor neradioactiv în experimente chimiceși în solvenți pentru spectroscopie 1H-RMN. Apa grea este folosită ca moderator de neutroni și lichid de răcire pentru reactoarele nucleare. Deuteriul este, de asemenea, un potențial combustibil pentru fuziunea nucleară comercială. 3H este cunoscut sub numele de tritiu și conține un proton și doi neutroni în nucleu. Este radioactiv, degradându-se la heliu-3 prin descompunere beta, cu un timp de înjumătățire de 12,32 ani. Este atât de radioactiv încât poate fi folosit în vopsea luminoasă, făcându-l util în realizarea de ceasuri cu cadrane luminoase, de exemplu. Sticla previne scăparea unor cantități mici de radiații. Cantități mici de tritiu se formează în mod natural atunci când razele cosmice interacționează cu gazele atmosferice; tritiu a fost, de asemenea, eliberat în timpul testării arme nucleare. Este utilizat în reacțiile de fuziune nucleară ca indicator al geochimiei izotopilor și în domeniul specializat dispozitive de iluminat cu alimentare autonomă. Tritiul a fost, de asemenea, utilizat în experimente de marcare chimică și biologică ca trasor radioactiv. Hidrogenul este singurul element care are denumiri diferite pentru izotopii săi, care sunt utilizați pe scară largă astăzi. În timpul studiului timpuriu al radioactivității, diverșilor izotopi radioactivi grei li s-au dat nume proprii, dar astfel de denumiri nu mai sunt folosite, cu excepția deuteriului și a tritiului. Simbolurile D și T (în loc de 2H și 3H) sunt uneori folosite pentru deuteriu și tritiu, dar simbolul corespunzător pentru proțiu P este deja folosit pentru fosfor și, prin urmare, nu este disponibil pentru proțiu. În ghidurile sale de nomenclatură, Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată permite utilizarea oricăruia dintre simbolurile D, T, 2H și 3H, deși sunt preferate 2H și 3H. Atomul exotic muonium (simbolul Mu), constând dintr-un antimuon și un electron, este de asemenea considerat uneori un radioizotop ușor de hidrogen datorită diferenței de masă dintre antimuon și electron, care a fost descoperită în 1960. În timpul vieții muonului, 2,2 μs, muoniul poate fi încorporat în compuși precum clorura de muonium (MuCl) sau muonura de sodiu (NaMu), similar cu acid clorhidric și respectiv hidrură de sodiu.

Poveste

Deschidere și utilizare

În 1671, Robert Boyle a descoperit și descris reacția dintre pilitura de fier și acizii diluați care produce hidrogen gazos. În 1766, Henry Cavendish a fost primul care a recunoscut gazul hidrogen ca o substanță discretă, numind gazul „aer inflamabil” datorită reacției sale metal-acid. El a teoretizat că „aerul inflamabil” era practic identic cu o substanță ipotetică numită „flogiston” și a descoperit din nou în 1781 că gazul produce apă atunci când este ars. Se crede că el a fost cel care a descoperit hidrogenul ca element. În 1783, Antoine Lavoisier a dat elementului numele de hidrogen (din grecescul ὑδρο-hydro care înseamnă „apă” și gene -γενής înseamnă „creator”) când el și Laplace au reprodus datele lui Cavendish conform cărora arderea hidrogenului produce apă. Lavoisier a produs hidrogen pentru experimentele sale de conservare a masei prin reacția unui curent de abur cu fier metalic printr-o lampă incandescentă încălzită de foc. Oxidarea anaerobă a fierului de către protonii apei la temperatură ridicată poate fi reprezentată schematic printr-un set de următoarele reacții:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Multe metale, cum ar fi zirconiul, suferă o reacție similară cu apa pentru a produce hidrogen. Hidrogenul a fost lichefiat pentru prima dată de James Dewar în 1898 folosind refrigerarea regenerativă și invenția sa, balonul cu vid. În anul următor a produs hidrogen solid. Deuteriul a fost descoperit în decembrie 1931 de Harold Urey, iar tritiul a fost preparat în 1934 de Ernest Rutherford, Mark Oliphant și Paul Harteck. Apa grea, care constă din deuteriu în loc de hidrogen obișnuit, a fost descoperită de grupul lui Urey în 1932. François Isaac de Rivaz a construit primul motor Rivaz, un motor cu ardere internă condus de hidrogen și oxigen, în 1806. Edward Daniel Clark a inventat tubul cu hidrogen gazos în 1819. Cremenul Döbereiner (prima brichetă cu drepturi depline) a fost inventat în 1823. Primul balon cu hidrogen a fost inventat de Jacques Charles în 1783. Hidrogenul a oferit apariția primei forme sigure de călătorie cu aer după inventarea primei aeronave alimentate cu hidrogen în 1852 de către Henri Giffard. Contele german Ferdinand von Zeppelin a promovat ideea aeronavelor rigide propulsate în aer de hidrogen, care mai târziu au fost numite Zeppelin; primul dintre acestea a zburat pentru prima dată în 1900. Zborurile regulate au început în 1910 și până la izbucnirea Primului Război Mondial în august 1914 au transportat 35.000 de pasageri fără incidente majore. În timpul războiului, dirijabilele cu hidrogen au fost folosite ca platforme de observare și bombardiere. Primul zbor transatlantic non-stop a fost realizat de dirijabilul britanic R34 în 1919. Serviciul obișnuit de pasageri a fost reluat în anii 1920, iar descoperirea rezervelor de heliu în Statele Unite era de așteptat să îmbunătățească siguranța călătoriei, dar guvernul SUA a refuzat să vândă gazul în acest scop, așa că H2 a fost folosit în dirijabilul Hindenburg, care a fost distrus. într-un incendiu la Milano din New York - Jersey 6 mai 1937. Incidentul a fost transmis în direct la radio și filmat. S-a presupus pe scară largă că cauza aprinderii a fost o scurgere de hidrogen, dar studiile ulterioare indică faptul că învelișul din material aluminiu a fost aprins de electricitate statică. Dar până în acest moment, reputația hidrogenului ca gaz de ridicare a fost deja deteriorată. În același an, primul turbogenerator răcit cu hidrogen, cu gaz hidrogen ca lichid de răcire în rotor și stator, a intrat în funcțiune în 1937 în Dayton, Ohio, de către Dayton Power & Light Co.; Datorită conductivității termice a hidrogenului gazos, acesta este cel mai comun gaz utilizat în acest domeniu astăzi. Bateria cu nichel-hidrogen a fost folosită pentru prima dată în 1977 la bordul satelitului US Navigation Technology Satellite-2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey și Mars Global Surveyor sunt echipate cu baterii nichel-hidrogen. În porțiunea întunecată a orbitei sale, telescopul spațial Hubble este alimentat și de baterii cu nichel-hidrogen, care au fost înlocuite în cele din urmă în mai 2009, la mai bine de 19 ani de la lansare și la 13 ani după ce au fost proiectate.

Rolul în teoria cuantică

Datorită simplității sale structura atomica constând doar dintr-un proton și un electron, atomul de hidrogen, împreună cu spectrul de lumină creat din sau absorbit de acesta, a fost esențial pentru dezvoltarea teoriei structurii atomice. În plus, studiul simplității corespunzătoare a moleculei de hidrogen și a cationului H+2 corespunzător a condus la înțelegerea naturii. legătură chimică, care a urmat la scurt timp după tratarea fizică a atomului de hidrogen în mecanica cuantică la mijlocul anului 2020 Unul dintre primele efecte cuantice care au fost observate în mod explicit (dar neînțelese la acea vreme) a fost observația lui Maxwell care implică hidrogen, cu o jumătate de secol înaintea cuantică completă. teoria mecanicii. Maxwell a notat că căldură specifică H2 lasă ireversibil gazul diatomic sub temperatura camerei și începe să semene din ce în ce mai mult cu căldura specifică a gazului monoatomic la temperaturi criogenice. Conform teoriei cuantice, acest comportament rezultă din distanțarea nivelurilor de energie de rotație (cuantificate), care sunt deosebit de larg distanțate în H2 datorită masei sale scăzute. Aceste niveluri larg distanțate împiedică împărțirea egală a energiei termice în mișcare de rotațieîn hidrogen la temperaturi scăzute. Gazele de diatomee, care sunt formate din atomi mai grei, nu au niveluri atât de distanțate și nu prezintă același efect. Antihidrogenul este analogul antimaterial al hidrogenului. Este format dintr-un antiproton cu un pozitron. Antihidrogenul este singurul tip de atom de antimaterie care a fost produs din 2015.

Fiind în natură

Hidrogenul este cel mai abundent element chimic din univers, alcătuind 75% din masa normală și mai mult de 90% din numărul de atomi. (Totuși, cea mai mare parte a masei universului nu este în această formă element chimic, și se crede că are forme de masă încă nedetectate, cum ar fi materia întunecată și energia întunecată.) Acest element se găsește din abundență în stele și giganții gazosi. Norii moleculari H2 sunt asociați cu formarea stelelor. Hidrogenul joacă un rol vital în alimentarea stelelor prin reacția proton-proton și fuziunea nucleară a ciclului CNO. În întreaga lume, hidrogenul apare în principal în stări atomice și plasmatice cu proprietăți complet diferite de cele ale hidrogenului molecular. Ca plasmă, electronul și protonul hidrogenului nu sunt legați unul de celălalt, rezultând o conductivitate electrică foarte mare și o emisivitate ridicată (producând lumină de la Soare și alte stele). Particulele încărcate sunt puternic influențate de câmpurile magnetice și electrice. De exemplu, în vântul solar ei interacționează cu magnetosfera Pământului, creând Curenții Birkeland și aurora. Hidrogenul este în neutru stare atomicăîn mediul interstelar. Se crede că marile cantități de hidrogen neutru găsite în sistemele Lyman-alfa în descompunere domină densitatea barionică cosmologică a Universului până la deplasarea spre roșu z = 4. În condiții normale pe Pământ, hidrogenul elementar există ca gaz diatomic, H2. Cu toate acestea, hidrogenul gazos este foarte rar în atmosfera Pământului (1 ppm în volum) datorită greutății sale reduse, ceea ce îi permite să învingă gravitația Pământului mai ușor decât gazele mai grele. Cu toate acestea, hidrogenul este al treilea element cel mai abundent de pe suprafața Pământului, existând în primul rând sub formă compuși chimici, cum ar fi hidrocarburile și apa. Hidrogenul gazos este produs de unele bacterii și alge și este o componentă naturală a flautului, la fel ca metanul, care este o sursă din ce în ce mai importantă de hidrogen. O formă moleculară numită hidrogen molecular protonat (H+3) se găsește în mediul interstelar, unde este generată prin ionizarea hidrogenului molecular din razele cosmice. Acest ion încărcat a fost observat și în atmosfera superioară a planetei Jupiter. Ionul este relativ stabil în mediu datorită temperaturii și densității scăzute. H+3 este unul dintre cei mai abundenți ioni din Univers și joacă un rol semnificativ în chimia mediului interstelar. Hidrogenul triatomic neutru H3 poate exista doar sub formă excitată și este instabil. În schimb, ionul de hidrogen molecular pozitiv (H+2) este o moleculă rară în Univers.

Producția de hidrogen

H2 este produs în laboratoare chimice și biologice, adesea ca produs secundar al altor reacții; în industrie pentru hidrogenarea substraturilor nesaturate; iar în natură ca mijloc de înlocuire a echivalenţilor reducători în reacţiile biochimice.

Reformarea cu abur

Hidrogenul poate fi produs în mai multe moduri, dar din punct de vedere economic cele mai importante procese implică îndepărtarea hidrogenului din hidrocarburi, întrucât aproximativ 95% din producția de hidrogen în 2000 a provenit din reformarea cu abur. Din punct de vedere comercial, volume mari de hidrogen sunt de obicei produse prin reformarea cu abur a gazului natural. La temperaturi ridicate (1000-1400 K, 700-1100 °C sau 1300-2000 °F), aburul (vaporii de apă) reacționează cu metanul pentru a produce monoxid de carbon și H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Această reacție funcționează mai bine la presiuni scăzute, dar, cu toate acestea, poate fi efectuată și la presiuni ridicate (2,0 MPa, 20 atm sau 600 inci de mercur). Acest lucru se datorează faptului că H2 de înaltă presiune este cel mai popular produs și sistemele de dezîncălzire sub presiune funcționează mai bine la presiuni mai mari. Amestecul de produse este cunoscut sub numele de „syngas” deoarece este adesea folosit direct pentru a produce metanol și compuși înrudiți. Hidrocarburile, altele decât metanul, pot fi utilizate pentru a produce gaz de sinteză cu diferite rapoarte de produs. Una dintre numeroasele complicații ale acestei tehnologii extrem de optimizate este formarea de cocs sau carbon:

CH4 → C + 2H2

Prin urmare, reformarea cu abur utilizează de obicei excesul de H2O. Hidrogen suplimentar poate fi recuperat din abur folosind monoxid de carbon printr-o reacție de deplasare a gazului de apă, în special folosind un catalizator de oxid de fier. Această reacție este, de asemenea, o sursă industrială comună de dioxid de carbon:

CO + H2O → CO2 + H2

Alte metode importante pentru H2 includ oxidarea parțială a hidrocarburilor:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Și o reacție de cărbune care poate servi drept preludiu la reacția de forfecare descrisă mai sus:

C + H2O → CO + H2

Uneori, hidrogenul este produs și consumat în același proces industrial, fără separare. În procesul Haber de producere a amoniacului, hidrogenul este generat din gazul natural. Electroliza saramurii pentru a produce clor produce, de asemenea, hidrogen ca produs secundar.

Acid metalic

În laborator, H2 este de obicei preparat prin reacția acizilor diluați neoxidanți cu anumite metale reactive, cum ar fi zincul, cu un aparat Kipp.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

De asemenea, aluminiul poate produce H2 atunci când este tratat cu baze:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Electroliza apei este o modalitate simplă de a produce hidrogen. Un curent de joasă tensiune trece prin apă și oxigenul gazos este produs la anod, în timp ce hidrogenul gazos este produs la catod. De obicei, catodul este fabricat din platină sau alt metal inert atunci când se produce hidrogen pentru stocare. Dacă, totuși, gazul urmează să fie ars in situ, prezența oxigenului este de dorit pentru a ajuta arderea și, prin urmare, ambii electrozi vor fi fabricați din metale inerte. (De exemplu, fierul se oxidează și, prin urmare, reduce cantitatea de oxigen produsă). Eficiența maximă teoretică (electricitatea utilizată în raport cu valoarea energetică a hidrogenului produs) este în intervalul 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Un aliaj de aluminiu și galiu sub formă de granule adăugate în apă poate fi folosit pentru a produce hidrogen. Acest proces produce și oxid de aluminiu, dar galiul scump, care împiedică formarea pielii de oxid pe pelete, poate fi reutilizat. Acest lucru are implicații potențiale importante pentru economia hidrogenului, deoarece hidrogenul poate fi produs local și nu trebuie transportat.

Proprietăți termochimice

Există peste 200 de cicluri termochimice care pot fi folosite pentru a împărți apa, aproximativ o duzină dintre aceste cicluri, cum ar fi ciclul oxidului de fier, ciclul oxidului de ceriu (IV), ciclul oxidului de zinc-zinc, ciclul sulfului iod, ciclul cuprului și al clorului și hibridului. ciclul sulfului sunt în curs de cercetare și testare pentru a produce hidrogen și oxigen din apă și căldură fără utilizarea energiei electrice. Un număr de laboratoare (inclusiv în Franța, Germania, Grecia, Japonia și SUA) dezvoltă metode termochimice pentru producerea hidrogenului din energie solară și apă.

Coroziunea anaerobă

În condiții anaerobe, aliajele de fier și oțel sunt lent oxidate de protonii de apă, în timp ce sunt reduse la hidrogen molecular (H2). Coroziunea anaerobă a fierului duce mai întâi la formarea hidroxidului de fier (rugina verde) și poate fi descrisă prin următoarea reacție: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. La rândul său, în condiții anaerobe, hidroxidul de fier (Fe (OH) 2) poate fi oxidat de protonii de apă pentru a forma magnetit și hidrogen molecular. Acest proces este descris de reacția Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 hidroxid de fier → magneziu + apă + hidrogen. Magnetita bine cristalizată (Fe3O4) este termodinamic mai stabilă decât hidroxidul de fier (Fe (OH) 2). Acest proces are loc în timpul coroziunii anaerobe a fierului și oțelului în apele subterane anoxice și în timpul refacerii solurilor sub pânza freatică.

Origine geologică: reacție de serpentinizare

În absenţa oxigenului (O2) în adâncime conditii geologice, predominând departe de atmosfera terestră, hidrogenul (H2) se formează în procesul de serpentinizare prin oxidare anaerobă de către protonii apei (H+) ai silicatului de fier (Fe2 +) prezenți în rețeaua cristalină a fayalitei (Fe2SiO4, punct final olivin-fier). ). Reacția corespunzătoare care duce la formarea magnetitului (Fe3O4), cuarțului (SiO2) și hidrogenului (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalită + apă → magnetit + cuarț + hidrogen. Această reacție este foarte asemănătoare cu reacția Shikorra observată în timpul oxidării anaerobe a hidroxidului de fier în contact cu apa.

Formarea în transformatoare

Dintre toate gazele periculoase produse în transformatoarele de putere, hidrogenul este cel mai frecvent și este generat în majoritatea defecțiunilor; astfel, formarea hidrogenului este un semn precoce al unor probleme serioase în ciclul de viață al transformatorului.

Aplicații

Consumul în diverse procese

Sunt necesare cantități mari de H2 în industria petrolului și în industria chimică. Cele mai mari utilizări ale H2 sunt pentru procesarea (“upgrading”) combustibililor fosili și pentru producerea de amoniac. În instalațiile petrochimice, H2 este utilizat în hidrodealchilare, hidrodesulfurare și hidrocracare. H2 are mai multe alte utilizări importante. H2 este utilizat ca agent de hidrogenare, în special pentru a crește nivelurile de saturație ale grăsimilor și uleiurilor nesaturate (care se găsesc în articole precum margarina) și în producția de metanol. Este, de asemenea, o sursă de hidrogen în producția de acid clorhidric. H2 este, de asemenea, folosit ca agent reducător pentru minereurile metalice. Hidrogenul este foarte solubil în multe pământuri rare și metale de tranziție și este solubil atât în ​​metale nanocristaline cât și amorfe. Solubilitatea hidrogenului în metale depinde de distorsiunile locale sau de impuritățile din rețeaua cristalină. Acest lucru poate fi util atunci când hidrogenul este purificat prin trecerea prin discuri fierbinți de paladiu, dar solubilitatea ridicată a gazului este o problemă metalurgică care contribuie la fragilizarea multor metale, complicând proiectarea conductelor și a rezervoarelor de stocare. Pe lângă utilizarea sa ca reactiv, H2 are aplicații largi în fizică și tehnologie. Este folosit ca gaz de protecție în tehnici de sudare, cum ar fi sudarea atomică cu hidrogen. H2 este folosit ca lichid de răcire a rotorului în generatoarele electrice din centralele electrice deoarece are cea mai mare conductivitate termică dintre toate gazele. H2 lichid este utilizat în cercetarea criogenică, inclusiv în cercetarea supraconductivității. Deoarece H2 este mai ușor decât aerul, fiind puțin mai mare de 1/14 din densitatea aerului, a fost odată folosit pe scară largă ca gaz de ridicare în baloane și avioane. În aplicațiile mai noi, hidrogenul este folosit pur sau amestecat cu azot (uneori numit gaz de formare) ca gaz trasor pentru detectarea instantanee a scurgerilor. Hidrogenul este utilizat în industria auto, chimică, energetică, aerospațială și de telecomunicații. Hidrogenul este un aditiv alimentar aprobat (E 949) care permite testarea scurgerilor produse alimentare, printre alte proprietăți antioxidante. Izotopii rari ai hidrogenului au, de asemenea, utilizări specifice. Deuteriul (hidrogen-2) este utilizat în aplicațiile de fisiune nucleară ca moderator de neutroni lent și în reacțiile de fuziune nucleară. Compușii de deuteriu sunt utilizați în domeniile chimiei și biologiei pentru a studia efectele izotopice ale reacțiilor. Tritiu (hidrogen-3), produs în reactoare nucleare, este utilizat în producție bombe cu hidrogen, ca trasor izotopic în științele biologice și ca sursă de radiații în vopselele luminoase. Temperatura punctului triplu a hidrogenului de echilibru este punctul fix definitoriu pe scara de temperatură ITS-90 la 13,8033 kelvin.

Mediu de răcire

Hidrogenul este utilizat în mod obișnuit în centralele electrice ca agent de răcire în generatoare datorită unui număr de proprietăți favorabile care sunt rezultatul direct al moleculelor sale biatomice ușoare. Acestea includ densitate scăzută, vâscozitate scăzută și cea mai mare capacitate de căldură specifică și conductivitate termică dintre toate gazele.

Purtător de energie

Hidrogenul nu este o resursă energetică, decât în ​​contextul ipotetic al centralelor comerciale de fuziune care utilizează deuteriu sau tritiu, tehnologie care în prezent este departe de maturitate. Energia soarelui provine din fuziunea nucleară a hidrogenului, dar acest proces este dificil de realizat pe Pământ. Hidrogenul elementar din surse solare, biologice sau electrice necesită mai multă energie pentru a produce decât este consumată la arderea acestuia, astfel încât în ​​aceste cazuri hidrogenul funcționează ca un purtător de energie, similar unei baterii. Hidrogenul poate fi obținut din surse fosile (cum ar fi metanul), dar aceste surse sunt epuizabile. Densitatea de energie pe unitate de volum atât a hidrogenului lichid, cât și a hidrogenului gazos comprimat la orice presiune practicabilă este semnificativ mai mică decât cea a surselor de energie tradiționale, deși densitatea energiei pe unitatea de masă de combustibil este mai mare. Cu toate acestea, hidrogenul elementar a fost discutat pe larg în contextul energetic ca un posibil viitor transportator de energie la nivelul întregii economii. De exemplu, sechestrarea CO2 urmată de captarea și stocarea carbonului poate fi efectuată în punctul de producere a H2 din combustibili fosili. Hidrogenul folosit în transport va arde relativ curat, cu unele emisii de NOx, dar fără emisii de carbon. Cu toate acestea, costurile de infrastructură asociate cu o conversie completă la o economie cu hidrogen vor fi semnificative. Pilele de combustie pot transforma hidrogenul și oxigenul direct în electricitate mai eficient decât motoarele cu ardere internă.

Industria semiconductoarelor

Hidrogenul este folosit pentru a satura legăturile suspendate ale siliciului amorf și carbonului amorf, ceea ce ajută la stabilizarea proprietăților materialului. Este, de asemenea, un potențial donor de electroni în diverse materiale de oxid, inclusiv ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 și SrZrO3.

Reacții biologice

H2 este un produs al unui metabolism anaerob și este produs de mai multe microorganisme, de obicei prin reacții catalizate de enzime care conțin fier sau nichel numite hidrogenaze. Aceste enzime catalizează o reacție redox reversibilă între H2 și componentele sale - doi protoni și doi electroni. Crearea hidrogenului gazos are loc prin transferul echivalenților reducători produși prin fermentarea piruvatului în apă. Ciclul natural de producere și consum de hidrogen de către organisme se numește ciclul hidrogenului. Diviziunea apei, procesul prin care apa este descompusă în protoni, electroni și oxigen, are loc în reacțiile luminoase în toate organismele fotosintetice. Unele astfel de organisme, inclusiv algele Chlamydomonas Reinhardtii și cianobacteriile, au evoluat într-o a doua etapă în reacții întunecate în care protonii și electronii sunt reduși pentru a forma gaz H2 prin hidrogenaze specializate din cloroplast. Au fost făcute încercări de modificare genetică a hidrazelor cianobacteriene pentru a sintetiza eficient H2 gaz chiar și în prezența oxigenului. De asemenea, s-au făcut eforturi folosind alge modificate genetic într-un bioreactor.