هیدروژن در طبیعت (0.9٪ در پوسته زمین)

هیدروژن
ن (lat. hydrogenium),
سبک ترین عنصر شیمیایی گازی عضوی از زیرگروه IA از جدول تناوبی عناصر است، گاهی اوقات به عنوان زیرگروه VIIA طبقه بندی می شود. در اتمسفر زمین، هیدروژن تنها برای کسری از دقیقه در حالت غیرمحدود وجود دارد. معمولاً همراه با گازهای دیگر در طول فوران های آتشفشانی، از چاه های نفت و در مکان هایی که مقادیر زیادی از مواد آلی تجزیه می شود، آزاد می شود. هیدروژن با کربن و/یا اکسیژن در مواد آلی مانند کربوهیدرات ها، هیدروکربن ها، چربی ها و پروتئین های حیوانی ترکیب می شود. در هیدروسفر، هیدروژن بخشی از آب، رایج ترین ترکیب روی زمین است. در سنگ ها، خاک ها و سایر قسمت های پوسته زمین، هیدروژن با اکسیژن ترکیب می شود و آب و یون هیدروکسید OH- را تشکیل می دهد. هیدروژن 16 درصد از کل اتم های پوسته زمین را تشکیل می دهد، اما تنها حدود 1 درصد جرمی آن، زیرا 16 برابر سبک تر از اکسیژن است. جرم خورشید و ستارگان 70 درصد پلاسمای هیدروژن است: این عنصر رایج ترین عنصر در فضا است. غلظت هیدروژن در جو زمین به دلیل چگالی کم و توانایی بالا رفتن به ارتفاعات با افزایش ارتفاع افزایش می یابد. شهاب‌سنگ‌هایی که در سطح زمین یافت می‌شوند دارای 6-10 اتم هیدروژن در هر 100 اتم سیلیکون هستند.
مرجع تاریخییکی دیگر از پزشکان و طبیعت شناس آلمانی پاراسلسوس در قرن شانزدهم. اشتعال پذیری هیدروژن را مشخص کرد. در سال 1700 N. Lemery کشف کرد که گاز آزاد شده توسط اسید سولفوریک روی آهن در هوا منفجر می شود. هیدروژن به عنوان یک عنصر توسط G. Cavendish در سال 1766 شناسایی شد و آن را "هوای قابل احتراق" نامید و در سال 1781 او ثابت کرد که آب محصول برهمکنش آن با اکسیژن است. هیدروژنیوم لاتین، که از ترکیب یونانی "به دنیا آمدن آب" می آید، توسط A. Lavoisier به این عنصر اختصاص داده شد.
مشخصات کلی هیدروژنهیدروژن اولین عنصر در جدول تناوبی عناصر است. اتم آن متشکل از یک پروتون و یک الکترون است که به دور آن می چرخند
(نگاه کنید به سیستم دوره ای عناصر).
یکی از 5000 اتم هیدروژن با حضور یک نوترون در هسته مشخص می شود و جرم هسته را از 1 به 2 افزایش می دهد. این ایزوتوپ هیدروژن دوتریوم 21H یا 21D نامیده می شود. ایزوتوپ دیگر و کمیابتر هیدروژن حاوی دو نوترون در هسته است و تریتیوم 31H یا 31T نامیده می شود. تریتیوم رادیواکتیو است و برای آزاد کردن هلیوم و الکترون تجزیه می شود. هسته های ایزوتوپ های مختلف هیدروژن در چرخش پروتون هایشان متفاوت است. هیدروژن را می توان از طریق عمل یک فلز فعال بر روی آب، ب) با اثر اسیدها بر روی فلزات خاص، ج) با اثر بازها بر روی سیلیکون و برخی فلزات آمفوتریک، د) با عمل بخار فوق گرم بر روی آب به دست آورد. زغال سنگ و متان، و همچنین روی آهن، ه) با تجزیه الکترولیتی آب و تجزیه حرارتی هیدروکربن ها. فعالیت شیمیایی هیدروژن با توانایی آن در اهدای یک الکترون به اتم دیگر یا به اشتراک گذاشتن آن تقریباً برابر با سایر عناصر هنگام تشکیل یک پیوند شیمیایی یا اتصال الکترون عنصر دیگری در ترکیب شیمیایی به نام هیدرید تعیین می شود. هیدروژن تولید شده توسط صنعت در مقادیر زیادی برای سنتز آمونیاک، اسید نیتریک و هیدریدهای فلزی استفاده می شود. صنایع غذایی از هیدروژن برای هیدروژنه کردن (هیدروژنه) روغن های گیاهی مایع به چربی های جامد (مانند مارگارین) استفاده می کند. در طول هیدروژناسیون، روغن‌های آلی اشباع حاوی پیوندهای دوگانه بین اتم‌های کربن به روغن‌های اشباع با پیوند کربن-کربن منفرد تبدیل می‌شوند. هیدروژن مایع با خلوص بالا (99.9998%) در موشک های فضایی به عنوان سوخت بسیار کارآمد استفاده می شود.
مشخصات فیزیکی.هیدروژن برای مایع شدن و جامد شدن به دمای بسیار پایین و فشار زیاد نیاز دارد (به جدول خواص مراجعه کنید). در شرایط عادی، هیدروژن گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه، بسیار سبک است: 1 لیتر هیدروژن در دمای 0 درجه سانتی گراد و فشار اتمسفر دارای جرم 0.08987 گرم است (ر.ک. چگالی هوا و هلیوم 1.2929 و 0.1785 گرم در لیتر، بنابراین، یک بادکنک پر از هلیوم و دارای همان بالابرنده بالن پر از هیدروژن باید 8 درصد حجم بیشتری داشته باشد. جدول برخی از خواص فیزیکی و ترمودینامیکی هیدروژن را نشان می دهد. خواص هیدروژن معمولی
(در 273.16 K یا 0 درجه سانتیگراد)
عدد اتمی 1 جرم اتمی 11H 1.00797 چگالی، گرم در لیتر

در فشار معمولی 0.08987 در 2.5 * 10 5 atm 0.66 در 2.7 * 10 18 atm 1.12 * 10 7

شعاع کووالانسی، 0.74 نقطه ذوب، ° C -259.14 نقطه جوش، ° C -252.5 دمای بحرانی، ° C -239.92 (33.24 K) فشار بحرانی، atm 12.8 (12.80 K) ظرفیت حرارتی، J/(molK) 28.8 (H) انحلال پذیری

در آب، حجم/100 حجم H2O (در شرایط استاندارد) 2.148 در بنزن، ml/g (35.2 درجه سانتیگراد، 150.2 اتمسفر) 11.77 در آمونیاک، میلی لیتر در گرم (25 درجه سانتیگراد) در 50 اتمسفر 4.47 در 1000 اتمسفر 79.25

حالت های اکسیداسیون -1، +1
ساختار اتم.یک اتم هیدروژن معمولی (پروتیم) از دو ذره بنیادی (پروتون و الکترون) تشکیل شده و جرم اتمی آن 1 است. به دلیل سرعت بسیار زیاد الکترون (2.25 کیلومتر بر ثانیه یا 7*1015 دور در دقیقه) و موج دوگانه جسمی آن. در طبیعت، تعیین دقیق مختصات (موقعیت) الکترون در هر زمان معین غیرممکن است، اما مناطقی با احتمال بالا برای یافتن الکترون وجود دارد و اندازه اتم را تعیین می کنند. بسیاری از خواص شیمیایی و فیزیکی هیدروژن، به ویژه آنهایی که مربوط به تحریک (جذب انرژی) هستند، به طور دقیق ریاضی پیش بینی می شوند (به طیف سنجی مراجعه کنید). هیدروژن شبیه به فلزات قلیایی است که همه این عناصر قادر به اهدای الکترون به یک اتم پذیرنده برای تشکیل پیوند شیمیایی هستند که می تواند از نیمه یونی (اشتراک در یک الکترون) تا کووالانسی (اشتراک در یک جفت الکترون) متغیر باشد. با یک گیرنده الکترون قوی، هیدروژن یک یون H+ مثبت تشکیل می دهد، یعنی. پروتون در مدار الکترون یک اتم هیدروژن 2 الکترون می تواند وجود داشته باشد، بنابراین هیدروژن همچنین قادر به پذیرش یک الکترون است و یک یون منفی H-، یک یون هیدرید، تشکیل می دهد و این باعث می شود که هیدروژن شبیه هالوژن باشد که با پذیرش الکترون مشخص می شود. برای تشکیل یک یون هالید منفی مانند Cl-. دوگانگی هیدروژن در این واقعیت منعکس می شود که در جدول تناوبی عناصر در زیر گروه IA (فلزات قلیایی) و گاهی اوقات در زیر گروه VIIA (هالوژن ها) قرار می گیرد (همچنین به شیمی مراجعه کنید).
خواص شیمیایی.خواص شیمیایی هیدروژن توسط تک الکترون آن تعیین می شود. مقدار انرژی مورد نیاز برای حذف این الکترون بیشتر از هر عامل اکسید کننده شیمیایی شناخته شده ای است که می تواند فراهم کند. بنابراین پیوند شیمیایی هیدروژن با اتم های دیگر به کووالانسی نزدیکتر است تا یونی. یک پیوند کووالانسی خالص زمانی اتفاق می افتد که یک مولکول هیدروژن تشکیل شود: H + H H2
هنگامی که یک مول (یعنی 2 گرم) از H2 تشکیل شد، 434 کیلوژول آزاد می شود. حتی در 3000 کلوین، درجه تفکیک هیدروژن بسیار کوچک است و برابر با 9.03٪ در 5000 K به 94٪ می رسد و تنها در 10000 K تفکیک کامل می شود. هنگامی که دو مول (36 گرم) آب از هیدروژن اتمی و اکسیژن (4H + O2 -> 2H2O) تشکیل می شود، بیش از 1250 کیلوژول آزاد می شود و دما به 3000-4000 درجه سانتی گراد می رسد، در حالی که در طی احتراق هیدروژن مولکولی (2H2) + O2 -> 2H2O) تنها 285.8 کیلوژول و دمای شعله تنها به 2500 درجه سانتیگراد می رسد. در دمای اتاق، هیدروژن واکنش کمتری دارد. برای شروع بیشتر واکنش ها، یک پیوند H-H قوی باید شکسته یا ضعیف شود و انرژی زیادی صرف شود. سرعت واکنش های هیدروژن با استفاده از یک کاتالیزور (فلزات گروه پلاتین، اکسیدهای فلزات انتقالی یا سنگین) و روش های تحریک مولکول (نور، تخلیه الکتریکی، قوس الکتریکی، دماهای بالا) افزایش می یابد. در چنین شرایطی، هیدروژن تقریبا با هر عنصری به جز گازهای نجیب واکنش می دهد. عناصر فعال قلیایی و قلیایی خاکی (مانند لیتیوم و کلسیم) با هیدروژن واکنش داده و الکترون می دهند و ترکیباتی به نام هیدریدهای نمکی تشکیل می دهند (2Li + H2 -> 2LiH؛ Ca + H2 -> CaH2).
به طور کلی هیدریدها ترکیبات حاوی هیدروژن هستند. طیف گسترده ای از خواص چنین ترکیباتی (بسته به اتم متصل به هیدروژن) با توانایی هیدروژن برای نشان دادن بار از 1- تا تقریباً 1+ توضیح داده می شود. این به وضوح در شباهت بین LiH و CaH2 و نمک هایی مانند NaCl و CaCl2 آشکار می شود. در هیدریدها، هیدروژن دارای بار منفی در نظر گرفته می شود (H-). چنین یونی یک عامل کاهنده در یک محیط آبی اسیدی است: 2H- H2 + 2e- + 2.25B. یون H- قادر به کاهش پروتون آب H+ به گاز هیدروژن است: H- + H2O (r) H2 + OH-.
ترکیبات هیدروژن با بور - بوروهیدریدها (بوروهیدریدها) - نشان دهنده یک دسته غیرمعمول از مواد به نام بوران هستند. ساده ترین نماینده آنها BH3 است که فقط به شکل پایدار دیبوران B2H6 وجود دارد. ترکیبات با تعداد زیادی اتم بور به روش های مختلف تهیه می شوند. به عنوان مثال، تترابوران B4H10، پنتابوران B5H9 پایدار و پنتابوران B5H11 ناپایدار، هگزابوران B6H10، دکابوران B10H14 شناخته شده است. دیبوران را می توان از H2 و BCl3 از طریق ترکیب میانی B2H5Cl، که در دمای 0 درجه سانتیگراد با B2H6 نامتناسب است، و همچنین با واکنش LiH یا هیدرید آلومینیوم لیتیوم LiAlH4 با BCl3 به دست آورد. در هیدرید آلومینیوم لیتیوم (یک ترکیب پیچیده - یک هیدرید نمک)، چهار اتم هیدروژن پیوند کووالانسی با Al تشکیل می دهند، اما یک پیوند یونی بین Li+ و []- وجود دارد. نمونه دیگری از یون های حاوی هیدروژن، یون بوروهیدرید BH4- است. در زیر یک طبقه بندی تقریبی از هیدریدها بر اساس خواص آنها با توجه به موقعیت عناصر در جدول تناوبی عناصر ارائه شده است. هیدریدهای فلزات واسطه فلزی یا میانی نامیده می شوند و اغلب ترکیبات استوکیومتری را تشکیل نمی دهند. نسبت اتم های هیدروژن به فلز به عنوان یک عدد صحیح بیان نمی شود، به عنوان مثال، هیدرید وانادیم VH0.6 و هیدرید توریم ThH3.1. فلزات گروه پلاتین (Ru، Rh، Pd، Os، Ir و Pt) به طور فعال هیدروژن را جذب می کنند و به عنوان کاتالیزور موثر برای واکنش های هیدروژناسیون (به عنوان مثال، هیدروژنه کردن روغن های مایع برای تشکیل چربی، تبدیل نیتروژن به آمونیاک، سنتز متانول CH3OH از CO). هیدریدهای Be، Mg، Al و زیرگروه های Cu، Zn، Ga قطبی و از نظر حرارتی ناپایدار هستند.

نافلزات هیدریدهای فرار با فرمول کلی MHx (x یک عدد صحیح است) با نقطه جوش نسبتا کم و فشار بخار بالا تشکیل می دهند. این هیدریدها به طور قابل توجهی با هیدریدهای نمکی متفاوت هستند که در آنها هیدروژن بار منفی بیشتری دارد. در هیدریدهای فرار (به عنوان مثال هیدروکربن ها)، پیوند کووالانسی بین نافلزات و هیدروژن غالب است. با افزایش خصوصیت غیرفلزی، ترکیباتی با پیوندهای یونی جزئی تشکیل می‌شوند، به عنوان مثال H+Cl-، (H2)2+O2-، N3-(H3)3+. چند نمونه از تشکیل هیدریدهای مختلف در زیر آورده شده است (گرمای تشکیل هیدرید در پرانتز نشان داده شده است):

ایزومریسم و ​​ایزوتوپ های هیدروژن اتم های ایزوتوپ های هیدروژن شبیه هم نیستند. هیدروژن معمولی، پروتیوم، همیشه پروتونی است که یک الکترون به دور آن می چرخد ​​و در فاصله زیادی از پروتون (نسبت به اندازه پروتون) قرار دارد. هر دو ذره دارای اسپین هستند، بنابراین اتم های هیدروژن می توانند در اسپین الکترون، اسپین پروتون یا هر دو متفاوت باشند. اتم های هیدروژن که در اسپین پروتون یا الکترون با هم تفاوت دارند ایزومر نامیده می شوند. ترکیب دو اتم با اسپین های موازی منجر به تشکیل یک مولکول «اورتوهیدروژن» می شود و آنهایی که دارای اسپین مخالف پروتون هستند، یک مولکول «پارهیدروژن» را به وجود می آورند. از نظر شیمیایی، هر دو مولکول یکسان هستند. ارتوهیدروژن دارای گشتاور مغناطیسی بسیار ضعیفی است. در دمای اتاق یا دمای بالا، هر دو ایزومر، ارتوهیدروژن و پاراهیدروژن، معمولاً در نسبت 3:1 در تعادل هستند. وقتی تا دمای 20 کلوین (253- درجه سانتیگراد) خنک شود، محتوای پاراهیدروژن تا 99 درصد افزایش می یابد، زیرا پایدارتر است. هنگامی که با روش های تصفیه صنعتی مایع می شود، ارتوفرم با آزاد شدن گرما به پارافرم تبدیل می شود که باعث از دست دادن هیدروژن در اثر تبخیر می شود. سرعت تبدیل ارتوفرم به پارافرم در حضور یک کاتالیزور مانند زغال چوب، اکسید نیکل، اکسید کروم روی آلومینا افزایش می‌یابد. پروتیوم یک عنصر غیر معمول است زیرا هیچ نوترونی در هسته خود ندارد. اگر یک نوترون در هسته ظاهر شود، چنین هیدروژنی دوتریوم 21D نامیده می شود. عناصری با تعداد پروتون و الکترون یکسان و تعداد نوترون متفاوت، ایزوتوپ نامیده می شوند. هیدروژن طبیعی حاوی نسبت کمی از HD و D2 است. به طور مشابه، آب طبیعی حاوی غلظت کم (کمتر از 0.1٪) از DOH و D2O است. آب سنگین D2O که جرم آن بیشتر از H2O است، از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت است، به عنوان مثال، چگالی آب معمولی 0.9982 گرم در میلی لیتر (20 درجه سانتیگراد) و آب سنگین 1.105 گرم در میلی لیتر است. نقطه ذوب آب معمولی به ترتیب 0.0 درجه سانتیگراد و سنگین - 3.82 درجه سانتیگراد، نقطه جوش - 100 درجه سانتیگراد و 101.42 درجه سانتیگراد است مخلوط D2O با افزودن NaOH قلیایی). سرعت تجزیه الکترولیتی اکسید پروتیوم H2O بیشتر از D2O است (با در نظر گرفتن افزایش ثابت در نسبت D2O تحت الکترولیز). با توجه به خواص مشابه پروتیوم و دوتریوم، امکان جایگزینی پروتیوم با دوتریوم وجود دارد. به چنین اتصالاتی اصطلاحاً برچسب می گویند. با مخلوط کردن ترکیبات دوتریوم با مواد معمولی حاوی هیدروژن، می توان مسیرها، ماهیت و مکانیسم بسیاری از واکنش ها را مطالعه کرد. این روش برای مطالعه واکنش های بیولوژیکی و بیوشیمیایی مانند فرآیندهای هضم استفاده می شود. ایزوتوپ سوم هیدروژن، تریتیوم (31T)، به طور طبیعی در مقادیر کمی وجود دارد. بر خلاف دوتریوم پایدار، تریتیوم رادیواکتیو است و نیمه عمر آن 12.26 سال است. تریتیوم به هلیوم (32He) تجزیه می شود و یک ذره b (الکترون) آزاد می کند. تریتیوم و تریتیدهای فلزی برای تولید انرژی هسته ای استفاده می شوند. به عنوان مثال، در یک بمب هیدروژنی واکنش همجوشی حرارتی زیر رخ می دهد: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17.6 MeV
تولید هیدروژناغلب، استفاده بیشتر از هیدروژن توسط ماهیت خود تولید تعیین می شود. در برخی موارد، به عنوان مثال در سنتز آمونیاک، مقادیر کم نیتروژن در هیدروژن شروع، البته ناخالصی مضری نیست. اگر از هیدروژن به عنوان یک عامل کاهنده استفاده شود، مخلوط مونوکسید کربن (II) نیز مشکلی ایجاد نخواهد کرد. 1. بزرگترین تولید هیدروژن بر اساس تبدیل کاتالیزوری هیدروکربن ها با بخار بر اساس طرح CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 و CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n) است. + 1) H2. دمای فرآیند به ترکیب کاتالیزور بستگی دارد. مشخص است که دمای واکنش با پروپان را می توان با استفاده از بوکسیت به عنوان کاتالیزور به 370 درجه سانتی گراد کاهش داد. تا 95 درصد از CO تولید شده در این مورد در واکنش بیشتر با بخار آب مصرف می شود: H2O + CO -> CO2 + H2
2. روش گاز آب سهم قابل توجهی از کل تولید هیدروژن را به خود اختصاص می دهد. ماهیت روش واکنش بخار آب با کک برای تشکیل مخلوطی از CO و H2 است. واکنش گرماگیر است (DH = 121.8 کیلوژول بر مول) و در 1000 درجه سانتیگراد انجام می شود. کک گرم شده با بخار تصفیه می شود. مخلوط گاز خالص آزاد شده حاوی مقداری هیدروژن، درصد زیادی CO و یک مخلوط کوچک CO2 است. برای افزایش بازده H2، مونوکسید CO با عملیات بخار بیشتر در دمای 370 درجه سانتی گراد حذف می شود که CO2 بیشتری تولید می کند. حذف دی اکسید کربن با عبور دادن مخلوط گاز از طریق اسکرابر که با آب جریان مخالف پاشیده شده است نسبتاً آسان است. 3. الکترولیز. در فرآیند الکترولیتی، هیدروژن در واقع محصول جانبی تولید محصولات اصلی یعنی کلر قلیایی (NaOH) است. الکترولیز در یک محیط آبی کمی قلیایی در دمای 80 درجه سانتیگراد و ولتاژ حدود 2 ولت با استفاده از یک کاتد آهن و یک آند نیکل انجام می شود:

4. روش بخار-آهن که در آن بخار در دمای 500-1000 درجه سانتیگراد از روی آهن عبور می کند: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160.67 کیلوژول. هیدروژن تولید شده در این روش معمولاً برای هیدروژنه کردن چربی ها و روغن ها استفاده می شود. ترکیب اکسید آهن به دمای فرآیند بستگی دارد. در nC + (n + 1) H2
6. بزرگترین حجم تولید بعدی روش متانول بخار است: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. واکنش گرماگیر است و در HYDROGEN 260 درجه سانتیگراد در راکتورهای فولادی معمولی در فشار تا 20 atm انجام می شود. 7. تجزیه کاتالیستی آمونیاک: 2NH3 -> واکنش برگشت پذیر است.وقتی نیاز به هیدروژن کم باشد، این فرآیند غیراقتصادی است. همچنین روش‌های مختلفی برای تولید هیدروژن وجود دارد که اگرچه از اهمیت صنعتی بالایی برخوردار نیستند، اما در برخی موارد ممکن است از نظر اقتصادی سودمندترین باشند. هیدروژن بسیار خالص از هیدرولیز هیدریدهای فلز قلیایی خالص به دست می آید. در این حالت، مقدار زیادی هیدروژن از مقدار کمی هیدرید تشکیل می شود: LiH + H2O -> LiOH + H2.
(این روش هنگام استفاده مستقیم از هیدروژن حاصل راحت است.) هنگامی که اسیدها با فلزات فعال تعامل می کنند، هیدروژن نیز آزاد می شود، اما معمولاً با بخار اسید یا محصول گازی دیگری مانند فسفین PH3، سولفید هیدروژن H2S، آرسین AsH3 آلوده می شود. . فعال ترین فلزات که با آب واکنش می دهند، هیدروژن را جابجا می کنند و یک محلول قلیایی تشکیل می دهند: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH یک روش آزمایشگاهی رایج برای به دست آوردن H2 در دستگاه کیپ، واکنش روی با اسید کلریدریک یا سولفوریک است:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. هیدریدهای فلز قلیایی خاکی (به عنوان مثال، CaH2)، هیدریدهای نمکی پیچیده (مثلاً LiAlH4 یا NaBH4) و برخی از بوروهیدریدها (به عنوان مثال، B2H6) هنگام واکنش با آب یا در حین تفکیک حرارتی، هیدروژن را آزاد می کنند. زغال سنگ قهوه ای و بخار در دماهای بالا نیز برای آزاد شدن هیدروژن واکنش نشان می دهند.
تصفیه هیدروژن.درجه خلوص مورد نیاز هیدروژن بر اساس حوزه کاربرد آن تعیین می شود. ناخالصی های دی اکسید کربن با انجماد یا مایع سازی (مثلاً با عبور دادن مخلوط گازی از نیتروژن مایع) حذف می شوند. همین ناخالصی را می توان با حباب زدن در آب به طور کامل از بین برد. CO را می توان با تبدیل کاتالیزوری به CH4 یا CO2 یا مایع سازی با تصفیه با نیتروژن مایع حذف کرد. ناخالصی اکسیژن تشکیل شده در طول فرآیند الکترولیز به شکل آب پس از تخلیه جرقه حذف می شود.
کاربرد هیدروژنهیدروژن عمدتاً در صنایع شیمیایی برای تولید کلرید هیدروژن، آمونیاک، متانول و سایر ترکیبات آلی استفاده می شود. در هیدروژنه کردن روغن ها و همچنین زغال سنگ و نفت (برای تبدیل سوخت های با عیار پایین به سوخت های با کیفیت بالا) استفاده می شود. در متالورژی، برخی از فلزات غیرآهنی از اکسیدهای خود با استفاده از هیدروژن احیا می شوند. هیدروژن برای خنک کردن ژنراتورهای الکتریکی قدرتمند استفاده می شود. از ایزوتوپ های هیدروژن در انرژی هسته ای استفاده می شود. از شعله هیدروژن-اکسیژن برای برش و جوشکاری فلزات استفاده می شود.
ادبیات
Nekrasov B.V. مبانی شیمی عمومی. M.، 1973 هیدروژن مایع. M., 1980 هیدروژن در فلزات. م.، 1981

دایره المعارف کولیر. - جامعه باز. 2000 .

مترادف ها:

ببینید "HYDROGEN" در سایر لغت نامه ها چیست:

جدول نوکلیدها اطلاعات عمومی نام، نماد هیدروژن 4، 4H نوترون ها 3 پروتون ها 1 خواص هسته ای جرم اتمی 4.027810(110) ... ویکی پدیا

جدول نوکلیدها اطلاعات عمومی نام، نماد هیدروژن 5، 5H نوترون ها 4 پروتون ها 1 خواص هسته ای جرم اتمی 5.035310(110) ... ویکی پدیا

جدول نوکلیدها اطلاعات عمومی نام، نماد هیدروژن 6، 6H نوترون 5 پروتون 1 خواص هسته ای جرم اتمی 6.044940(280) ... ویکی پدیا

جدول نوکلیدها اطلاعات عمومی نام، نماد هیدروژن 7، 7H نوترون 6 پروتون 1 خواص هسته جرم اتمی 7.052750 (1080) ... ویکی پدیا

موقعیت خاص خود را در جدول تناوبی دارد که منعکس کننده ویژگی هایی است که نشان می دهد و در مورد ساختار الکترونیکی آن صحبت می کند. با این حال، در بین همه آنها یک اتم خاص وجود دارد که همزمان دو سلول را اشغال می کند. در دو گروه از عناصر قرار دارد که از نظر خواص کاملاً متضاد هستند. این هیدروژن است. چنین ویژگی هایی آن را منحصر به فرد می کند.

هیدروژن فقط یک عنصر نیست، بلکه یک ماده ساده و همچنین بخشی جدایی ناپذیر از بسیاری از ترکیبات پیچیده، یک عنصر بیوژن و آلی است. بنابراین، اجازه دهید ویژگی ها و خواص آن را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم.

هیدروژن به عنوان یک عنصر شیمیایی

هیدروژن عنصری از گروه اول زیرگروه اصلی و همچنین گروه هفتم از زیر گروه اصلی در دوره فرعی اول است. این دوره فقط از دو اتم تشکیل شده است: هلیوم و عنصر مورد نظر ما. اجازه دهید ویژگی های اصلی موقعیت هیدروژن را در جدول تناوبی شرح دهیم.

1. عدد اتمی هیدروژن 1، تعداد الکترون ها یکسان و بر این اساس، تعداد پروتون ها یکسان است. جرم اتمی - 1.00795. سه ایزوتوپ از این عنصر با اعداد جرمی 1، 2، 3 وجود دارد. با این حال، خواص هر یک از آنها بسیار متفاوت است، زیرا افزایش جرم حتی یک بار برای هیدروژن بلافاصله دو برابر می شود.
2. این واقعیت که فقط یک الکترون در سطح بیرونی خود دارد به آن اجازه می دهد تا با موفقیت هم خاصیت اکسید کننده و هم کاهنده را از خود نشان دهد. علاوه بر این، پس از اهدای یک الکترون، با یک اوربیتال آزاد باقی می‌ماند که طبق مکانیسم دهنده-پذیرنده در تشکیل پیوندهای شیمیایی شرکت می‌کند.
3. هیدروژن یک عامل کاهنده قوی است. بنابراین، مکان اصلی آن اولین گروه از زیرگروه اصلی در نظر گرفته می شود، جایی که فعال ترین فلزات - قلیایی را رهبری می کند.
4. با این حال، هنگام تعامل با عوامل کاهنده قوی، مانند فلزات، می تواند یک عامل اکسید کننده نیز باشد و الکترون را بپذیرد. این ترکیبات هیدرید نامیده می شوند. با توجه به این ویژگی، در راس زیرگروه هالوژن هایی قرار می گیرد که با آن مشابه است.
5. هیدروژن به دلیل جرم اتمی بسیار کوچکش سبک ترین عنصر محسوب می شود. علاوه بر این، چگالی آن نیز بسیار کم است، بنابراین معیاری برای سبکی نیز می باشد.

بنابراین، بدیهی است که اتم هیدروژن یک عنصر کاملاً منحصر به فرد است، برخلاف سایر عناصر. در نتیجه خواص آن نیز خاص است و مواد ساده و پیچیده تشکیل شده بسیار مهم است. بیایید آنها را بیشتر در نظر بگیریم.

ماده ساده

اگر از این عنصر به عنوان یک مولکول صحبت کنیم، باید بگوییم که دو اتمی است. یعنی هیدروژن (یک ماده ساده) یک گاز است. فرمول تجربی آن به صورت H2 و فرمول گرافیکی آن از طریق یک رابطه سیگما H-H نوشته خواهد شد. مکانیسم تشکیل پیوند بین اتم ها کووالانسی غیرقطبی است.

1. رفرمینگ متان بخار
2. تبدیل به گاز زغال سنگ - این فرآیند شامل گرم کردن زغال سنگ تا دمای 1000 درجه سانتیگراد است که منجر به تشکیل هیدروژن و زغال سنگ با کربن بالا می شود.
3. الکترولیز. این روش فقط برای محلول های آبی نمک های مختلف قابل استفاده است، زیرا مذاب ها منجر به تخلیه آب در کاتد نمی شوند.

روشهای آزمایشگاهی تولید هیدروژن:

1. هیدرولیز هیدریدهای فلزی
2. تاثیر اسیدهای رقیق بر فلزات فعال و فعالیت محیطی
3. برهمکنش فلزات قلیایی و قلیایی خاکی با آب.

برای جمع آوری هیدروژن تولید شده، باید لوله آزمایش را وارونه نگه دارید. از این گذشته ، این گاز را نمی توان به همان روشی که مثلاً دی اکسید کربن جمع آوری کرد. این هیدروژن است، بسیار سبک تر از هوا است. به سرعت تبخیر می شود و در مقادیر زیاد وقتی با هوا مخلوط می شود منفجر می شود. بنابراین لوله آزمایش باید معکوس شود. پس از پر شدن باید با درپوش لاستیکی بسته شود.

برای بررسی خلوص هیدروژن جمع آوری شده، باید یک کبریت روشن به گردن بیاورید. اگر کف زدن کسل کننده و بی صدا باشد، به این معنی است که گاز تمیز و با حداقل ناخالصی هوا است. اگر بلند و سوت باشد، کثیف و دارای نسبت زیادی از اجزای خارجی است.

مناطق استفاده

هنگامی که هیدروژن سوزانده می شود، آنقدر انرژی (گرما) آزاد می شود که این گاز سودآورترین سوخت محسوب می شود. علاوه بر این، سازگار با محیط زیست است. با این حال، تا به امروز کاربرد آن در این زمینه محدود است. این به دلیل مشکلات نادرست و حل نشده سنتز هیدروژن خالص است که برای استفاده به عنوان سوخت در راکتورها، موتورها و دستگاه های قابل حمل و همچنین بویلرهای گرمایش مسکونی مناسب است.

از این گذشته، روش های تولید این گاز بسیار گران هستند، بنابراین ابتدا باید یک روش سنتز ویژه ایجاد شود. چیزی که به شما امکان می دهد محصول را در حجم زیاد و با حداقل هزینه تهیه کنید.

چندین حوزه اصلی وجود دارد که گاز مورد نظر ما در آنها استفاده می شود.

1. سنتزهای شیمیایی هیدروژناسیون برای تولید صابون، مارگارین و پلاستیک استفاده می شود. با مشارکت هیدروژن، متانول و آمونیاک، و همچنین ترکیبات دیگر، سنتز می شوند.
2. در صنایع غذایی - به عنوان افزودنی E949.
3. صنعت هوانوردی (علوم موشکی، ساخت هواپیما).
4. صنعت برق.
5. هواشناسی.
6. سوخت سازگار با محیط زیست

بدیهی است که هیدروژن به همان اندازه که در طبیعت فراوان است مهم است. ترکیبات مختلفی که تشکیل می دهد نقش مهم تری ایفا می کنند.

ترکیبات هیدروژنی

اینها مواد پیچیده ای هستند که حاوی اتم های هیدروژن هستند. چندین نوع اصلی از این مواد وجود دارد.

1. هالیدهای هیدروژن فرمول کلی HHal است. در میان آنها هیدروژن کلرید از اهمیت ویژه ای برخوردار است. گازی است که در آب حل می شود و محلولی از اسید کلریدریک تشکیل می دهد. این اسید تقریباً در تمام سنتزهای شیمیایی به طور گسترده استفاده می شود. علاوه بر این، هر دو آلی و معدنی. کلرید هیدروژن ترکیبی با فرمول تجربی HCL است و یکی از بزرگترین ترکیباتی است که سالانه در کشور ما تولید می شود. هالیدهای هیدروژن همچنین شامل یدید هیدروژن، هیدروژن فلوراید و هیدروژن برومید هستند. همه آنها اسیدهای مربوطه را تشکیل می دهند.
2. فرار تقریباً همه آنها گازهای کاملاً سمی هستند. به عنوان مثال، سولفید هیدروژن، متان، سیلان، فسفین و دیگران. در عین حال بسیار قابل اشتعال هستند.
3. هیدریدها ترکیباتی با فلزات هستند. آنها به کلاس نمک ها تعلق دارند.
4. هیدروکسیدها: بازها، اسیدها و ترکیبات آمفوتریک. آنها لزوماً حاوی یک یا چند اتم هیدروژن هستند. مثال: NaOH، K 2، H 2 SO 4 و دیگران.
5. هیدروکسید هیدروژن. این ترکیب بیشتر به نام آب شناخته می شود. نام دیگر اکسید هیدروژن است. فرمول تجربی به این شکل است - H 2 O.
6. آب اکسیژنه. این یک عامل اکسید کننده قوی است که فرمول آن H 2 O 2 است.
7. ترکیبات آلی متعدد: هیدروکربن ها، پروتئین ها، چربی ها، لیپیدها، ویتامین ها، هورمون ها، اسانس ها و غیره.

بدیهی است که تنوع ترکیبات عنصر مورد نظر ما بسیار زیاد است. این یک بار دیگر اهمیت بالای آن را برای طبیعت و انسان و همچنین برای همه موجودات زنده تایید می کند.

- این بهترین حلال است

همانطور که در بالا ذکر شد، نام رایج این ماده آب است. از دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن تشکیل شده است که توسط پیوندهای قطبی کووالانسی به هم متصل شده اند. مولکول آب یک دوقطبی است، این موضوع بسیاری از خواصی را که از خود نشان می دهد توضیح می دهد. به ویژه، این یک حلال جهانی است.

تقریباً تمام فرآیندهای شیمیایی در محیط آبی اتفاق می افتد. واکنش های داخلی متابولیسم پلاستیک و انرژی در موجودات زنده نیز با استفاده از اکسید هیدروژن انجام می شود.

آب به حق مهمترین ماده روی این سیاره در نظر گرفته می شود. مشخص است که هیچ موجود زنده ای بدون آن نمی تواند زندگی کند. روی زمین می تواند در سه حالت تجمع وجود داشته باشد:

• مایع؛
• گاز (بخار)؛
• جامد (یخ).

بسته به ایزوتوپ هیدروژن موجود در مولکول، سه نوع آب متمایز می شود.

1. لایت یا پروتیوم. ایزوتوپی با جرم شماره 1. فرمول - H 2 O. این شکل معمولی است که همه موجودات از آن استفاده می کنند.
2. دوتریوم یا سنگین، فرمول آن D 2 O است. حاوی ایزوتوپ 2 H است.
3. فوق سنگین یا تریتیوم. فرمول شبیه T 3 O، ایزوتوپ - 3 H است.

ذخایر آب شیرین پروتیوم در این سیاره بسیار مهم است. در حال حاضر در بسیاری از کشورها کمبود آن وجود دارد. روش هایی برای تصفیه آب نمک برای تولید آب آشامیدنی در حال توسعه است.

پراکسید هیدروژن یک درمان جهانی است

این ترکیب، همانطور که در بالا ذکر شد، یک عامل اکسید کننده عالی است. با این حال، با نمایندگان قوی او می تواند به عنوان یک ترمیم کننده نیز رفتار کند. علاوه بر این، دارای اثر ضد باکتریایی است.

نام دیگر این ترکیب پراکسید است. به این شکل است که در پزشکی استفاده می شود. محلول 3 درصد کریستال هیدرات ترکیب مورد نظر یک داروی پزشکی است که برای درمان زخم های کوچک به منظور ضد عفونی کردن آنها استفاده می شود. با این حال، ثابت شده است که این باعث افزایش زمان بهبود زخم می شود.

پراکسید هیدروژن همچنین در سوخت موشک، در صنعت برای ضدعفونی و سفید کردن و به عنوان عامل کف کننده برای تولید مواد مناسب (مثلاً فوم) استفاده می شود. علاوه بر این، پراکسید به تمیز کردن آکواریوم ها، سفید کردن موها و سفید کردن دندان ها کمک می کند. با این حال، باعث آسیب به بافت ها می شود، بنابراین توسط متخصصان برای این اهداف توصیه نمی شود.

هیدروژن H یک عنصر شیمیایی است که یکی از رایج ترین ها در جهان ماست. جرم هیدروژن به عنوان یک عنصر در ترکیب مواد 75 درصد کل محتوای اتم های انواع دیگر است. این بخشی از مهمترین و حیاتی ترین ترکیب روی سیاره - آب است. یکی از ویژگی های متمایز هیدروژن این است که اولین عنصر در سیستم تناوبی عناصر شیمیایی مندلیف است.

کشف و اکتشاف

اولین ذکر هیدروژن در نوشته های پاراسلسوس به قرن شانزدهم برمی گردد. اما جداسازی آن از مخلوط گازی هوا و مطالعه خواص قابل اشتعال قبلاً در قرن هفدهم توسط دانشمند لمری انجام شد. هیدروژن توسط یک شیمیدان، فیزیکدان و دانشمند طبیعی انگلیسی به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفت و به طور تجربی ثابت کرد که جرم هیدروژن در مقایسه با سایر گازها کوچکترین است. در مراحل بعدی توسعه علم، دانشمندان بسیاری با او کار کردند، به ویژه لاووازیه که او را "مولد آب" نامید.

ویژگی ها بر اساس موقعیت در PSHE

عنصری که جدول تناوبی D.I مندلیف را باز می کند هیدروژن است. خواص فیزیکی و شیمیایی اتم دوگانگی خاصی را نشان می دهد، زیرا هیدروژن به طور همزمان به عنوان متعلق به گروه اول، زیرگروه اصلی، طبقه بندی می شود، اگر مانند یک فلز رفتار کند و در فرآیند یک واکنش شیمیایی یک الکترون منفرد را از دست بدهد. تا هفتم - در صورت پر شدن کامل پوسته ظرفیت، یعنی ذره منفی پذیرش، که آن را شبیه به هالوژن ها توصیف می کند.

ویژگی های ساختار الکترونیکی عنصر

خواص مواد پیچیده ای که در آن گنجانده شده است، و ساده ترین ماده H2، در درجه اول توسط پیکربندی الکترونیکی هیدروژن تعیین می شود. این ذره دارای یک الکترون با Z= (-1) است که در مدار خود به دور هسته‌ای می‌چرخد که دارای یک پروتون با واحد جرم و بار مثبت (1+) است. پیکربندی الکترونیکی آن به صورت 1s 1 نوشته شده است، که به معنای وجود یک ذره منفی در اولین و تنها اوربیتال s برای هیدروژن است.

هنگامی که یک الکترون حذف یا تسلیم شود و یک اتم از این عنصر دارای خاصیتی باشد که به فلزات مربوط می شود، یک کاتیون به دست می آید. در اصل، یون هیدروژن یک ذره بنیادی مثبت است. بنابراین، هیدروژنی که از الکترون محروم باشد، به سادگی پروتون نامیده می شود.

مشخصات فیزیکی

برای توصیف مختصر هیدروژن، این گاز بی رنگ و کمی محلول با جرم اتمی نسبی 2، 14.5 برابر سبکتر از هوا، با دمای مایع 252.8- درجه سانتیگراد است.

از تجربه شما به راحتی می توانید بررسی کنید که H 2 سبک ترین است. برای این کار کافی است سه توپ را با مواد مختلف پر کنید - هیدروژن، دی اکسید کربن، هوای معمولی - و همزمان آنها را از دست خود رها کنید. دی‌اکسید کربن پر شده سریع‌ترین مقدار را به زمین می‌رساند، پس از آن گازی که با مخلوط هوا متورم شده است پایین می‌آید و آن که حاوی H2 است تا سقف بالا می‌رود.

جرم و اندازه کوچک ذرات هیدروژن توانایی آن را در نفوذ به مواد مختلف توجیه می کند. با استفاده از مثال همان توپ، به راحتی می توان آن را پس از چند روز بررسی کرد، زیرا گاز به سادگی از لاستیک عبور می کند. هیدروژن همچنین می تواند در ساختار برخی از فلزات (پالادیوم یا پلاتین) جمع شود و با افزایش دما از آن تبخیر شود.

از خاصیت حلالیت کم هیدروژن در عمل آزمایشگاهی برای جداسازی آن با جابجایی هیدروژن استفاده می شود (جدول زیر شامل پارامترهای اصلی است) تا دامنه کاربرد و روش های تولید آن مشخص شود.

پارامتر یک اتم یا مولکول یک ماده ساده	معنی
جرم اتمی (جرم مولی)	1.008 گرم در مول
پیکربندی الکترونیکی	1s 1
سلول کریستالی	شش ضلعی
رسانایی گرمایی	(300 K) 0.1815 W/(m K)
چگالی در n. تو	0.08987 گرم در لیتر
دمای جوش	-252.76 درجه سانتی گراد
گرمای ویژه احتراق	120.9 10 6 J/kg
دمای ذوب	-259.2 درجه سانتی گراد
حلالیت در آب	18.8 میلی لیتر در لیتر

ترکیب ایزوتوپی

مانند بسیاری دیگر از نمایندگان سیستم تناوبی عناصر شیمیایی، هیدروژن چندین ایزوتوپ طبیعی دارد، یعنی اتم هایی با همان تعداد پروتون در هسته، اما تعداد متفاوتی نوترون - ذرات با بار و جرم واحد صفر. نمونه هایی از اتم های با ویژگی مشابه عبارتند از: اکسیژن، کربن، کلر، برم و غیره، از جمله اتم های رادیواکتیو.

خواص فیزیکی هیدروژن 1H، رایج ترین نمایندگان این گروه، به طور قابل توجهی با ویژگی های مشابه همتایان خود متفاوت است. به ویژه، ویژگی های موادی که در آنها وجود دارد متفاوت است. بنابراین، آب معمولی و دوتره شده وجود دارد که به جای یک اتم هیدروژن با یک پروتون واحد، دوتریوم 2 H - ایزوتوپ آن با دو ذره بنیادی: مثبت و بدون بار وجود دارد. این ایزوتوپ دو برابر سنگین تر از هیدروژن معمولی است، که توضیح دهنده تفاوت چشمگیر در خواص ترکیباتی است که آنها می سازند. در طبیعت، دوتریوم 3200 برابر کمتر از هیدروژن یافت می شود. نماینده سوم تریتیوم 3H است که دارای دو نوترون و یک پروتون در هسته خود است.

روش های تولید و جداسازی

روش های آزمایشگاهی و صنعتی کاملاً متفاوت است. بنابراین، گاز در مقادیر کم عمدتاً از طریق واکنش های مربوط به مواد معدنی تولید می شود، در حالی که تولید در مقیاس بزرگ از سنتز آلی به میزان بیشتری استفاده می کند.

فعل و انفعالات شیمیایی زیر در آزمایشگاه استفاده می شود:

برای مقاصد صنعتی، گاز به روش های زیر تولید می شود:

1. تجزیه حرارتی متان در حضور کاتالیزور به مواد ساده تشکیل دهنده آن (مقدار چنین شاخصی مانند دما به 350 درجه می رسد) - هیدروژن H2 و کربن C.
2. عبور آب بخار از کک در دمای 1000 درجه سانتیگراد برای تشکیل دی اکسید کربن CO 2 و H 2 (متداول ترین روش).
3. تبدیل گاز متان بر روی کاتالیزور نیکل در دمای 800 درجه.
4. هیدروژن محصول جانبی حاصل از الکترولیز محلول های آبی کلرید پتاسیم یا سدیم است.

فعل و انفعالات شیمیایی: مقررات عمومی

خواص فیزیکی هیدروژن تا حد زیادی رفتار آن را در فرآیندهای واکنش با یک ترکیب خاص توضیح می دهد. ظرفیت هیدروژن 1 است، زیرا در گروه اول جدول تناوبی قرار دارد و درجه اکسیداسیون متفاوت است. در همه ترکیبات، به جز هیدریدها، هیدروژن در d.o = (1+)، در مولکول های نوع CN، CN 2، CN 3 - (1-).

مولکول گاز هیدروژن که با ایجاد یک جفت الکترون تعمیم یافته تشکیل می شود، از دو اتم تشکیل شده و از نظر انرژی کاملاً پایدار است، به همین دلیل است که در شرایط عادی تا حدودی بی اثر است و با تغییر شرایط عادی واکنش نشان می دهد. بسته به درجه اکسیداسیون هیدروژن در ترکیب سایر مواد، می تواند هم به عنوان یک عامل اکسید کننده و هم به عنوان یک عامل کاهنده عمل کند.

موادی که هیدروژن با آنها واکنش می دهد و تشکیل می شود

فعل و انفعالات عنصری برای تشکیل مواد پیچیده (اغلب در دماهای بالا):

1. فلز قلیایی و قلیایی خاکی + هیدروژن = هیدرید.
2. هالوژن + H 2 = هالید هیدروژن.
3. گوگرد + هیدروژن = سولفید هیدروژن.
4. اکسیژن + H 2 = آب.
5. کربن + هیدروژن = متان.
6. نیتروژن + H 2 = آمونیاک.

تعامل با مواد پیچیده:

1. تولید گاز سنتز از مونوکسید کربن و هیدروژن.
2. احیای فلزات از اکسیدهای آنها با استفاده از H2.
3. اشباع هیدروکربن های آلیفاتیک غیر اشباع با هیدروژن.

پیوند هیدروژنی

خواص فیزیکی هیدروژن به گونه‌ای است که به آن اجازه می‌دهد، هنگامی که با یک عنصر الکترونگاتیو ترکیب می‌شود، نوع خاصی از پیوند را با همان اتم از مولکول‌های همسایه‌ای که جفت‌های الکترون تکی دارند (مثلاً اکسیژن، نیتروژن و فلوئور) تشکیل دهد. واضح ترین مثالی که بهتر است این پدیده را در نظر بگیریم آب است. می توان گفت که با پیوندهای هیدروژنی دوخته شده است که نسبت به پیوندهای کووالانسی یا یونی ضعیف تر هستند، اما به دلیل تعداد زیاد آنها تأثیر بسزایی در خواص ماده دارند. اساساً پیوند هیدروژنی یک برهمکنش الکترواستاتیکی است که مولکول‌های آب را به دایمرها و پلیمرها متصل می‌کند و باعث ایجاد نقطه جوش بالای آن می‌شود.

هیدروژن در ترکیبات معدنی

همه حاوی یک پروتون، کاتیون یک اتم مانند هیدروژن هستند. ماده ای که باقیمانده اسیدی آن دارای حالت اکسیداسیون بیشتر از (-1) باشد، ترکیب پلی بازیک نامیده می شود. حاوی چندین اتم هیدروژن است که تجزیه در محلول های آبی را چند مرحله ای می کند. حذف هر پروتون بعدی از باقیمانده اسید دشوارتر می شود. اسیدیته محیط با مقدار کمی هیدروژن در محیط تعیین می شود.

کاربرد در فعالیت های انسانی

سیلندرهای حاوی این ماده و همچنین ظروف حاوی گازهای مایع دیگر مانند اکسیژن ظاهر خاصی دارند. آنها به رنگ سبز تیره با کلمه "هیدروژن" با رنگ قرمز روشن رنگ آمیزی شده اند. گاز تحت فشار حدود 150 اتمسفر به داخل سیلندر پمپ می شود. خواص فیزیکی هیدروژن، به ویژه سبکی حالت گازی تجمع، برای پر کردن بالن ها، بادکنک ها و غیره با آن مخلوط با هلیوم استفاده می شود.

هیدروژن، خواص فیزیکی و شیمیایی که مردم سال ها پیش استفاده از آن را آموختند، در حال حاضر در بسیاری از صنایع استفاده می شود. بخش عمده آن صرف تولید آمونیاک می شود. هیدروژن همچنین در اکسیدهای (هافنیوم، ژرمانیوم، گالیم، سیلیکون، مولیبدن، تنگستن، زیرکونیوم و غیره) شرکت می کند و در واکنش به عنوان یک عامل کاهنده، اسیدهای هیدروسیانیک و هیدروکلریک و همچنین سوخت مایع مصنوعی عمل می کند. صنایع غذایی از آن برای تبدیل روغن های گیاهی به چربی های جامد استفاده می کنند.

خواص شیمیایی و استفاده از هیدروژن در فرآیندهای مختلف هیدروژنه کردن و هیدروژنه کردن چربی ها، زغال سنگ، هیدروکربن ها، روغن ها و نفت کوره تعیین شد. برای تولید سنگ های قیمتی، لامپ های رشته ای و آهنگری و جوشکاری محصولات فلزی تحت تأثیر شعله اکسیژن-هیدروژن استفاده می شود.

هیدروژن– اولین عنصر شیمیایی جدول تناوبی عناصر شیمیایی D.I. مندلیف. عنصر شیمیایی هیدروژن در گروه اول، زیرگروه اصلی، دوره اول سیستم تناوبی قرار دارد.

جرم اتمی نسبی هیدروژن = 1.

هیدروژن ساده ترین ساختار اتمی را دارد که از یک الکترون منفرد تشکیل شده است که در فضای دور هسته ای قرار دارد. هسته اتم هیدروژن از یک پروتون تشکیل شده است.

یک اتم هیدروژن در واکنش‌های شیمیایی می‌تواند تسلیم شود یا الکترون به دست آورد و دو نوع یون تشکیل دهد:

H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.

هیدروژن- رایج ترین عنصر در کیهان. حدود 88.6٪ از کل اتم ها را تشکیل می دهد (حدود 11.3٪ اتم های هلیوم هستند، سهم همه عناصر دیگر در ترکیب حدود 0.1٪ است). بنابراین، هیدروژن جزء اصلی ستاره ها و گاز بین ستاره ای است. در فضای بین ستاره ای، این عنصر به شکل مولکول ها، اتم ها و یون های منفرد وجود دارد و می تواند ابرهای مولکولی را تشکیل دهد که به طور قابل توجهی از نظر اندازه، چگالی و دما متفاوت هستند.

کسر جرمی هیدروژن در پوسته زمین 1٪ است.نهمین عنصر رایج است. اهمیت هیدروژن در فرآیندهای شیمیایی روی زمین تقریباً به اندازه اکسیژن است. بر خلاف اکسیژن که روی زمین در هر دو حالت محدود و آزاد وجود دارد، تقریباً تمام هیدروژن روی زمین به شکل ترکیبات است. فقط مقدار بسیار کمی هیدروژن به شکل یک ماده ساده در جو موجود است (0.00005٪ حجمی برای هوای خشک).

هیدروژن تقریباً بخشی از تمام مواد آلی است و در تمام سلول های زنده وجود دارد.

خواص فیزیکی هیدروژن

ماده ساده ای که توسط عنصر شیمیایی هیدروژن تشکیل می شود، ساختار مولکولی دارد. ترکیب آن با فرمول مطابقت دارد H2.مانند عنصر شیمیایی، ماده ساده نیز هیدروژن نامیده می شود.

هیدروژن– گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه، عملاً در آب نامحلول است. در دمای اتاق و فشار معمولی اتمسفر، حلالیت 18.8 میلی لیتر گاز در هر 1 لیتر آب است.

هیدروژن– سبک ترین گاز، چگالی آن 0.08987 گرم در لیتر است. برای مقایسه: چگالی هوا 1.3 گرم در لیتر است.

هیدروژن می تواند در فلزات حل شود،به عنوان مثال، تا 850 حجم هیدروژن می تواند در یک حجم پالادیوم حل شود. به دلیل اندازه مولکولی بسیار کوچک، هیدروژن قادر به انتشار در بسیاری از مواد است

مانند سایر گازها، هیدروژن در دمای پایین متراکم می شود و به مایع شفاف بی رنگ تبدیل می شود. 252.8 درجه سانتی گراد.هنگامی که دما به 259.2- درجه سانتیگراد می رسد، هیدروژن به شکل کریستال های سفید شبیه برف متبلور می شود.

بر خلاف اکسیژن، هیدروژن با آلوتروپی مشخص نمی شود

کاربردهای هیدروژن

هیدروژن در صنایع مختلف کاربرد دارد. مقدار زیادی هیدروژن برای تولید آمونیاک استفاده می شود (NH3).کودهای نیتروژن، الیاف مصنوعی و پلاستیک و داروها از آمونیاک به دست می آیند.

در صنایع غذایی از هیدروژن در تولید مارگارین که حاوی چربی های جامد است استفاده می شود. برای به دست آوردن آنها از چربی های مایع، هیدروژن از آنها عبور می کند.

وقتی هیدروژن در اکسیژن می سوزد، دمای شعله تقریباً می شود 2500 درجه سانتی گراددر این دما می توان فلزات نسوز را ذوب و جوش داد. بنابراین از هیدروژن در جوشکاری استفاده می شود.

مخلوطی از هیدروژن مایع و اکسیژن به عنوان سوخت موشک استفاده می شود.

در حال حاضر، تعدادی از کشورها تحقیقاتی را برای جایگزینی منابع انرژی تجدید ناپذیر (نفت، گاز، زغال سنگ) با هیدروژن آغاز کرده اند. هنگامی که هیدروژن در اکسیژن سوزانده می شود، یک محصول سازگار با محیط زیست تشکیل می شود - آب، و نه دی اکسید کربن، که باعث اثر گلخانه ای می شود.

دانشمندان پیشنهاد می کنند که تولید انبوه خودروهای هیدروژنی باید از اواسط قرن بیست و یکم آغاز شود. پیل های سوختی خانگی که عملکرد آنها نیز مبتنی بر اکسیداسیون هیدروژن با اکسیژن است، به طور گسترده مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

در پایان قرن 19 - آغاز قرن 20،در طلوع عصر هوانوردی، بالن ها، کشتی های هوایی و بالن ها با هیدروژن پر شدند، زیرا بسیار سبک تر از هوا است. با این حال، عصر کشتی‌های هوایی پس از فاجعه‌ای که برای کشتی هوایی رخ داد، به سرعت در گذشته محو شد. هیندنبورگ 6 مه 1937 کشتی هوایی،پر از هیدروژن، آتش گرفت و ده ها نفر از مسافران آن جان باختند.

هیدروژن به نسبت معینی با اکسیژن بسیار انفجاری است. عدم رعایت مقررات ایمنی منجر به احتراق و انفجار کشتی هوایی شد.

• هیدروژن– اولین عنصر شیمیایی جدول تناوبی عناصر شیمیایی D.I. مندلیف
• هیدروژن در گروه I، زیرگروه اصلی، دوره 1 سیستم تناوبی قرار دارد
• ظرفیت هیدروژن در ترکیبات - I
• هیدروژن– گاز بی رنگ، بی بو و بی مزه، عملاً نامحلول در آب
• هیدروژن- سبک ترین گاز
• هیدروژن مایع و جامد در دماهای پایین تولید می شود
• هیدروژن می تواند در فلزات حل شود
• کاربردهای هیدروژن متنوع است

هیدروژن (لاتین Hydrogenium)، H، عنصر شیمیایی گروه VII از فرم کوتاه (گروه 1 از فرم بلند) جدول تناوبی. عدد اتمی 1، جرم اتمی 1.00794; غیر فلز. دو ایزوتوپ پایدار در طبیعت وجود دارد: پروتیوم 1H (99.985٪ جرم) و دوتریوم D یا 2H (0.015٪). تریتیوم رادیواکتیو مصنوعی تولید شده 3 H یا T (ß-واپاشی، T 1/2 12.26 سال)، در طبیعت در مقادیر ناچیز در لایه های بالایی جو در نتیجه برهم کنش تشعشعات کیهانی عمدتا با N و O تشکیل می شود. ایزوتوپ های رادیواکتیو بسیار ناپایدار 4 H، 5 H، 6 H به طور مصنوعی به دست آمده است.

مرجع تاریخیهیدروژن اولین بار در سال 1766 توسط G. Cavendish مورد مطالعه قرار گرفت و او آن را "هوای قابل اشتعال" نامید. در سال 1787، A. Lavoisier نشان داد که این گاز هنگام سوختن آب را تشکیل می دهد، آن را در فهرست عناصر شیمیایی قرار داد و نام هیدروژن (از یونانی?δωρ - آب و γενν?ω - برای تولد) را پیشنهاد کرد.

شیوع در طبیعتمحتوای هیدروژن در هوای اتمسفر 3.5-10٪ جرم و در پوسته زمین 1٪ است. مخزن اصلی هیدروژن روی زمین آب است (۱۹/۱۱ درصد هیدروژن بر حسب جرم). هیدروژن یک عنصر بیوژنیک است و بخشی از ترکیبات تشکیل دهنده زغال سنگ، نفت، گازهای قابل احتراق طبیعی، بسیاری از مواد معدنی و غیره است.در فضای نزدیک زمین، هیدروژن به شکل جریانی از پروتون ها کمربند تشعشعی داخلی زمین را تشکیل می دهد. هیدروژن فراوان ترین عنصر در فضا است. به شکل پلاسما حدود 70 درصد از جرم خورشید و ستارگان را تشکیل می دهد، بخش عمده ای از سحابی های میان ستاره ای و گازی، در جو تعدادی از سیارات به شکل H2، CH4 وجود دارد. NH 3، H 2 O و غیره

خواص. پیکربندی لایه الکترونی اتم هیدروژن 1s 1 است. در ترکیبات حالت های اکسیداسیون +1 و -1 را نشان می دهد. الکترونگاتیوی پالینگ 2.1; شعاع (pm): اتمی 46، کووالانسی 30، واندروالس 120; انرژی یونیزاسیون Н°→ Н + 1312.0 kJ/mol. در حالت آزاد، هیدروژن یک مولکول دو اتمی H 2 را تشکیل می دهد، فاصله بین هسته ای 76 pm است، انرژی تفکیک 432.1 کیلوژول بر مول (0 K) است. بسته به جهت گیری نسبی اسپین های هسته ای، ارتو-هیدروژن (اسپین موازی) و پارا هیدروژن (اسپین ضد موازی) وجود دارد که از نظر خواص مغناطیسی، نوری و حرارتی متفاوت هستند و معمولاً در نسبت 3:1 قرار دارند. تبدیل پارا هیدروژن به ارتو هیدروژن به 1418 ژول بر مول انرژی نیاز دارد.

هیدروژن گازی بی رنگ، بی مزه و بی بو است. t PL -259.19 درجه سانتیگراد، t KIP -252.77 درجه سانتیگراد. هیدروژن سبک ترین و رسانای گرمایی در بین همه گازها است: در 273 کلوین، چگالی 0.0899 کیلوگرم بر متر مکعب، هدایت حرارتی 0.1815 W/(m K) است. نامحلول در آب؛ در بسیاری از فلزات به خوبی حل می شود (بهترین در Pd - تا 850٪ حجمی). در بسیاری از مواد (به عنوان مثال فولاد) منتشر می شود. در هوا می سوزد و مخلوط های انفجاری تشکیل می دهد. هیدروژن جامد در یک شبکه شش ضلعی متبلور می شود. در فشارهای بالاتر از 10 4 مگاپاسکال، با تشکیل ساختاری ساخته شده از اتم ها و دارای خواص فلزی - به اصطلاح هیدروژن فلزی، انتقال فاز امکان پذیر است.

هیدروژن ترکیباتی را با عناصر بسیاری تشکیل می دهد. با اکسیژن آب را تشکیل می دهد (در دمای بالای 550 درجه سانتیگراد واکنش با انفجار همراه است)، با نیتروژن - آمونیاک، با هالوژن - هالیدهای هیدروژن، با فلزات، ترکیبات بین فلزی، و همچنین با بسیاری از غیر فلزات (به عنوان مثال، کالکوژن ها) - هیدریدها، با کربن - هیدروکربن ها. واکنش با CO از اهمیت عملی برخوردار است (به گاز سنتز مراجعه کنید). هیدروژن اکسیدها و هالیدهای بسیاری از فلزات را به فلزات و هیدروکربن های غیراشباع را به فلزات اشباع کاهش می دهد (به هیدروژناسیون مراجعه کنید). هسته اتم هیدروژن - پروتون H + - خواص اسیدی ترکیبات را تعیین می کند. در محلول های آبی، H + یون هیدرونیوم H 3 O + را با یک مولکول آب تشکیل می دهد. در مولکول های ترکیبات مختلف، هیدروژن تمایل به تشکیل پیوندهای هیدروژنی با بسیاری از عناصر الکترونگاتیو دارد.

کاربرد. گاز هیدروژن در سنتز صنعتی آمونیاک، اسید کلریدریک، متانول و الکل های بالاتر، سوخت های مایع مصنوعی و غیره برای هیدروژناسیون چربی ها و سایر ترکیبات آلی استفاده می شود. در پالایش نفت - برای تصفیه هیدرولیکی و هیدروکراکینگ فراکسیون های نفت؛ در متالورژی - برای به دست آوردن فلزات (به عنوان مثال، W، Mo، Re از اکسیدها و فلوریدهای آنها)، برای ایجاد یک محیط محافظ هنگام پردازش فلزات و آلیاژها. در تولید محصولات شیشه ای کوارتز با استفاده از شعله هیدروژن-اکسیژن، برای جوشکاری اتمی-هیدروژنی فولادها و آلیاژهای نسوز و غیره به عنوان گاز بالابر برای بالن. هیدروژن مایع یک سوخت در فناوری موشکی و فضایی است. به عنوان مبرد نیز استفاده می شود.

برای اطلاعات در مورد روش های اصلی تولید و همچنین ذخیره سازی، حمل و نقل و استفاده از هیدروژن به عنوان حامل انرژی، به انرژی هیدروژن مراجعه کنید.

روشن شد به هنر نگاه کن انرژی هیدروژن.