تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين هو تفاعل. الفصل الرابع.المواد البسيطة والمعقدة. الهيدروجين والأكسجين. لماذا الهيدروجين قابل للاشتعال

10.1 الهيدروجين

يشير اسم "الهيدروجين" إلى عنصر كيميائي ومادة بسيطة. عنصر هيدروجينيتكون من ذرات الهيدروجين. مادة بسيطة هيدروجينيتكون من جزيئات الهيدروجين.

أ) عنصر الهيدروجين الكيميائي

في السلسلة الطبيعية للعناصر ، يكون الرقم التسلسلي للهيدروجين هو 1. في نظام العناصر ، يكون الهيدروجين في الفترة الأولى في مجموعة IA أو VIIA.

الهيدروجين هو أحد أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض. يبلغ الجزء المولي من ذرات الهيدروجين في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري للأرض (يُطلق عليها مجتمعة قشرة الأرض) 0.17. يوجد في الماء ، العديد من المعادن ، الزيت ، الغاز الطبيعي ، النباتات والحيوانات. يحتوي جسم الإنسان المتوسط ​​على حوالي 7 كيلوغرامات من الهيدروجين.

هناك ثلاثة نظائر للهيدروجين:
أ) الهيدروجين الخفيف - البروتيوم,
ب) الهيدروجين الثقيل - الديوتيريوم(د)
ج) الهيدروجين فائق الثقل - التريتيوم(ت).

التريتيوم نظير غير مستقر (مشع) ، لذلك لا يوجد عمليًا في الطبيعة. الديوتيريوم مستقر ، لكن يوجد القليل جدًا منه: ث D = 0.015٪ (من كتلة كل الهيدروجين الأرضي). لذلك ، تختلف الكتلة الذرية للهيدروجين قليلاً جدًا عن 1 Dn (1.00794 Dn).

ب) ذرة الهيدروجين

من الأقسام السابقةبالطبع في الكيمياء ، فأنت تعرف بالفعل الخصائص التالية لذرة الهيدروجين:

يتم تحديد قدرات التكافؤ لذرة الهيدروجين من خلال وجود إلكترون واحد في مدار تكافؤ واحد. إن طاقة التأين الكبيرة تجعل ذرة الهيدروجين غير عرضة للتبرع بإلكترون ، كما أن التقارب الإلكترون غير المرتفع يؤدي إلى ميل طفيف لقبوله. وبالتالي ، في الأنظمة الكيميائية ، يكون تكوين الكاتيون H مستحيلًا ، والمركبات التي تحتوي على أنيون H ليست مستقرة جدًا. وبالتالي ، فإن تكوين رابطة تساهمية مع ذرات أخرى بسبب إلكترون واحد غير مزدوج هو أكثر ما يميز ذرة الهيدروجين. في حالة تكوين الأنيون وفي حالة تكوين رابطة تساهمية ، تكون ذرة الهيدروجين أحادية التكافؤ.
في مادة بسيطة ، تكون حالة أكسدة ذرات الهيدروجين صفراً ، وفي معظم المركبات يُظهر الهيدروجين حالة أكسدة + I ، وفقط في هيدرات أقل العناصر كهرسلبية في الهيدروجين تكون حالة الأكسدة –I.
ترد معلومات حول قدرات التكافؤ لذرة الهيدروجين في الجدول 28. حالة التكافؤ لذرة الهيدروجين المتصلة بواسطة رابطة تساهمية واحدة مع أي ذرة يشار إليها في الجدول بالرمز "H-".

الجدول 28احتمالات التكافؤ لذرة الهيدروجين

دولة التكافؤ				أمثلة على المواد الكيميائية
			أنا 0 -أنا	HCl ، H 2 O ، H 2 S ، NH 3 ، CH 4 ، C 2 H 6 ، NH 4 Cl ، H 2 SO 4 ، NaHCO 3 ، KOH H2 ب 2 H 6 ، SiH 4 ، GeH 4
				NaH، KH، CaH 2، BaH 2

ج) جزيء الهيدروجين

يتكون جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة H 2 عندما ترتبط ذرات الهيدروجين بالرابطة التساهمية الوحيدة الممكنة لها. يتم تشكيل الاتصال من خلال آلية التبادل. وفقًا للطريقة التي تتداخل بها سحب الإلكترون ، فهذه رابطة s (الشكل 10.1 أ). بما أن الذرات متشابهة ، فإن الرابطة ليست قطبية.

المسافة بين الذرات (بتعبير أدق ، مسافة التوازن بين الذرات ، لأن الذرات تهتز) في جزيء الهيدروجين ص(H-H) = 0.74 A (الشكل 10.1 الخامس) ، وهو أقل بكثير من مجموع نصف قطر المدار (1.06 أ). وبالتالي ، فإن السحب الإلكترونية لذرات الترابط تتداخل بعمق (الشكل 10.1 ب) ، والرابطة في جزيء الهيدروجين قوية. يتضح هذا أيضًا من خلال القيمة الكبيرة إلى حد ما لطاقة الربط (454 كيلو جول / مول).
إذا وصفنا شكل الجزيء بالسطح الحدودي (على غرار السطح الحدودي لسحابة الإلكترون) ، فيمكننا القول إن جزيء الهيدروجين له شكل كرة مشوهة قليلاً (ممدود) (الشكل 10.1). جي).

د) الهيدروجين (مادة)

في ظل الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غازًا عديم اللون والرائحة. في لا كميات كبيرةانها غير سامة. يذوب الهيدروجين الصلب عند 14 كلفن (-259 درجة مئوية) ، بينما يغلي الهيدروجين السائل عند 20 كلفن (-253 درجة مئوية). نقاط انصهار وغليان منخفضة ، فاصل زمني صغير جدًا لدرجة الحرارة لوجود الهيدروجين السائل (6 درجات مئوية فقط) ، بالإضافة إلى درجات حرارة جزيئية صغيرة للذوبان (0.117 كيلوجول / مول) والتبخير (0.903 كيلوجول / مول) تشير إلى أن الروابط بين الجزيئات ضعيف جدا في الهيدروجين.
كثافة الهيدروجين r (H 2) \ u003d (2 جم / مول): (22.4 لتر / مول) \ u003d 0.0893 جم / لتر. للمقارنة: متوسط ​​كثافة الهواء 1.29 جم / لتر. أي أن الهيدروجين أخف 14.5 مرة من الهواء. انه عمليا لا يذوب في الماء.
في درجة حرارة الغرفةالهيدروجين غير نشط ، ولكن عند تسخينه ، يتفاعل مع العديد من المواد. في هذه التفاعلات ، يمكن لذرات الهيدروجين زيادة وتقليل حالة الأكسدة: H 2 + 2 ه- \ u003d 2H -I، H 2-2 ه- \ u003d 2H + I.
في الحالة الأولى ، الهيدروجين عامل مؤكسد ، على سبيل المثال ، في التفاعلات مع الصوديوم أو الكالسيوم: 2Na + H 2 = 2NaH ، ( ر) Ca + H 2 = CaH 2. ( ر)
لكن خصائص الاختزال أكثر تميزًا للهيدروجين: O 2 + 2H 2 \ u003d 2H 2 O ، ( ر)
CuO + H 2 \ u003d Cu + H 2 O. ( ر)
عند تسخينه ، يتأكسد الهيدروجين ليس فقط بالأكسجين ، ولكن أيضًا بواسطة بعض المعادن الأخرى ، مثل الفلور ، والكلور ، والكبريت ، وحتى النيتروجين.
في المختبر ، ينتج الهيدروجين عن طريق التفاعل

Zn + H 2 SO 4 \ u003d ZnSO 4 + H 2.

يمكن استخدام الحديد والألمنيوم وبعض المعادن الأخرى بدلاً من الزنك ، ويمكن استخدام بعض الأحماض المخففة الأخرى بدلاً من حمض الكبريتيك. يتم جمع الهيدروجين الناتج في أنبوب اختبار بطريقة إزاحة الماء (انظر الشكل 10.2 ب) أو ببساطة في دورق مقلوب (الشكل 10.2 أ).

في الصناعة ، يتم الحصول على الهيدروجين بكميات كبيرة من الغاز الطبيعي (الميثان بشكل أساسي) عن طريق التفاعل مع بخار الماء عند 800 درجة مئوية في وجود محفز نيكل:

CH 4 + 2H 2 O \ u003d 4H 2 + CO 2 ( ر، ني)

أو معالجتها عند درجة حرارة عالية بفحم بخار الماء:

2H 2 O + C \ u003d 2H 2 + CO 2. ( ر)

يتم الحصول على الهيدروجين النقي من الماء عن طريق تحللها صدمة كهربائية(يخضع للتحليل الكهربائي):

2H 2 O \ u003d 2H 2 + O 2 (التحليل الكهربائي).

ه) مركبات الهيدروجين

تنقسم الهيدريدات (المركبات الثنائية المحتوية على الهيدروجين) إلى نوعين رئيسيين:
أ) متقلبة (الجزيئية) هيدريد ،
ب) الهيدريدات الشبيهة بالملح (الأيونية).
تشكل مجموعات العناصر IVA - VIIA والبورون هيدرات جزيئية. من بين هؤلاء ، تكون هيدرات العناصر التي تشكل غير فلزات فقط مستقرة:

ب 2 ح 6 ؛ CH 4 ؛ NH3 ؛ H2O ؛ HF
SiH 4 ؛ PH 3 ؛ H2S ؛ حمض الهيدروكلوريك
AsH 3 ؛ H2Se ؛ HBr
H2Te ؛ أهلاً
جميع هذه المركبات ، باستثناء الماء ، هي مواد غازية في درجة حرارة الغرفة ، ومن هنا جاء اسمها - "الهيدريد المتطاير".
يتم أيضًا تضمين بعض العناصر التي تشكل غير فلزات في الهيدريدات الأكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، يشكل الكربون مركبات بالصيغ العامة C ن H2 ن+2 ، ج ن H2 ن، ج ن H2 ن-2 وغيرها ، أين نيمكن أن تكون كبيرة جدًا (الكيمياء العضوية تدرس هذه المركبات).
تشمل الهيدريدات الأيونية القلوية والأتربة القلوية وهيدرات المغنيسيوم. تتكون بلورات هذه الهيدرات من أنيونات H وكاتيونات معدنية في أعلى حالة أكسدة لـ Me أو Me 2 (اعتمادًا على مجموعة نظام العناصر).

LiH
ناه	MgH2
KH	CaH2
RbH	SrH 2
CSH	BaH2

كل من الهيدريدات الأيونية وتقريباً جميع الهيدريدات الجزيئية (باستثناء H 2 O و HF) عوامل اختزال ، لكن الهيدريدات الأيونية تظهر خصائص مختزلة أقوى بكثير من الخصائص الجزيئية.
بالإضافة إلى الهيدريدات ، فإن الهيدروجين جزء من الهيدروكسيدات وبعض الأملاح. سوف تتعرف على خصائص مركبات الهيدروجين الأكثر تعقيدًا في الفصول التالية.
المستهلكون الرئيسيون للهيدروجين المنتج في الصناعة هم مصانع إنتاج الأمونيا والأسمدة النيتروجينية ، حيث يتم الحصول على الأمونيا مباشرة من النيتروجين والهيدروجين:

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( ص, ر، Pt هو المحفز).

يستخدم الهيدروجين بكميات كبيرة لإنتاج كحول الميثيل (ميثانول) بالتفاعل 2H 2 + CO = CH 3 OH ( ر، ZnO - محفز) ، وكذلك في إنتاج كلوريد الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه مباشرة من الكلور والهيدروجين:

H 2 + Cl 2 \ u003d 2HCl.

يستخدم الهيدروجين أحيانًا في علم المعادن كعامل اختزال في إنتاج المعادن النقية ، على سبيل المثال: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.

1. ما هي الجسيمات التي تتكون منها نوى أ) البروتيوم ، ب) الديوتيريوم ، ج) التريتيوم؟
2. قارن طاقة التأين لذرة الهيدروجين بطاقة التأين لذرات العناصر الأخرى. ما هو العنصر الأقرب للهيدروجين في هذه الخاصية؟
3. افعل الشيء نفسه بالنسبة لطاقة تقارب الإلكترون
4. قارن اتجاه استقطاب الرابطة التساهمية ودرجة أكسدة الهيدروجين في المركبات: أ) BeH 2، CH 4، NH 3، H 2 O، HF؛ ب) CH 4 ، SiH 4 ، GeH 4.
5. اكتب أبسط صيغة جزيئية وتركيبية ومكانية للهيدروجين. أيهما أكثر استخدامًا؟
6. كثيرا ما يقولون: "الهيدروجين أخف من الهواء". ما هو المقصود من هذا؟ في أي حالات يمكن أخذ هذا التعبير حرفياً ، وفي أي حالات لا؟
7. عمل الصيغ التركيبية من هيدرات البوتاسيوم والكالسيوم وكذلك الأمونيا وكبريتيد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين.
8. معرفة الحرارة المولية لانصهار وتبخير الهيدروجين ، وتحديد قيم الكميات المحددة المقابلة.
9. لكل من التفاعلات الأربعة التي توضح الخصائص الكيميائية الأساسية للهيدروجين ، قم بعمل توازن إلكتروني. قائمة العوامل المؤكسدة والاختزال.
10. تحديد كتلة الزنك المطلوبة للحصول على 4.48 لتر من الهيدروجين بطريقة معملية.
11. حدد كتلة وحجم الهيدروجين الذي يمكن الحصول عليه من 30 م 3 من خليط من الميثان وبخار الماء ، مأخوذ بنسبة حجم 1: 2 ، مع عائد 80٪.
12. اصنع معادلات التفاعلات التي تحدث أثناء تفاعل الهيدروجين أ) مع الفلور ، ب) مع الكبريت.
13. توضح مخططات التفاعل أدناه الخصائص الكيميائية الأساسية للهيدريدات الأيونية:

أ) MH + O 2 MOH ( ر) ؛ ب) MH + Cl 2 MCl + HCl ( ر);
ج) MH + H 2 O MOH + H 2 ؛ د) MH + حمض الهيدروكلوريك (ع) MCl + H 2
هنا M هو الليثيوم أو الصوديوم أو البوتاسيوم أو الروبيديوم أو السيزيوم. كوّن معادلات التفاعلات المقابلة إذا كان M عبارة عن صوديوم. وضح الخصائص الكيميائية لهيدريد الكالسيوم باستخدام معادلات التفاعل.
14. باستخدام طريقة توازن الإلكترون ، اكتب معادلات التفاعلات التالية التي توضح خصائص الاختزال لبعض الهيدريدات الجزيئية:
أ) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( ر) ؛ ب) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( ر) ؛ ج) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( ر).

10.2 الأكسجين

كما في حالة الهيدروجين ، فإن كلمة "أكسجين" هي اسم كل من عنصر كيميائي ومادة بسيطة. باستثناء مادة بسيطة " الأكسجين "(dioxygen) عنصر الأكسجين الكيميائي يشكل مادة بسيطة أخرى تسمى " الأوزون "(ثلاثي الأكسجين). هذا التعديلات المتآصلةالأكسجين. تتكون مادة الأكسجين من جزيئات الأكسجين O 2 ، وتتكون مادة الأوزون من جزيئات الأوزون O 3.

أ) عنصر الأكسجين الكيميائي

في السلسلة الطبيعية للعناصر ، الرقم التسلسلي للأكسجين هو 8. في نظام العناصر ، يكون الأكسجين في الفترة الثانية في مجموعة VIA.
الأكسجين هو العنصر الأكثر وفرة على وجه الأرض. في القشرة الأرضية ، كل ذرة ثانية عبارة عن ذرة أكسجين ، أي أن الجزء المولي من الأكسجين في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري للأرض يبلغ حوالي 50٪. الأكسجين (مادة) - عنصرهواء. نسبة حجم الأكسجين في الهواء هي 21٪. الأكسجين (عنصر) هو جزء من الماء ، والعديد من المعادن ، وكذلك النباتات والحيوانات. يحتوي جسم الإنسان على ما معدله 43 كجم من الأكسجين.
يتكون الأكسجين الطبيعي من ثلاثة نظائر (16 O و 17 O و 18 O) ، منها أخف نظير 16 O هو الأكثر شيوعًا ، لذلك فإن الكتلة الذرية للأكسجين قريبة من 16 Dn (15.9994 Dn).

ب) ذرة الأكسجين

أنت تعرف الخصائص التالية لذرة الأكسجين.

الجدول 29احتمالات التكافؤ لذرة الأكسجين

دولة التكافؤ				أمثلة على المواد الكيميائية
				Al 2 O 3، Fe 2 O 3، Cr 2 O 3 *
			-II -أنا 0 + أنا + II	H 2 O، SO 2، SO 3، CO 2، SiO 2، H 2 SO 4، HNO 2، HClO 4، COCl 2، H 2 O 2 O2 ** O 2 F 2 من 2
				هيدروكسيد الصوديوم ، KOH ، Ca (OH) 2 ، Ba (OH) 2 Na 2 O 2 ، K 2 O 2 ، CaO 2 ، BaO 2
				Li 2 O ، Na 2 O ، MgO ، CaO ، BaO ، FeO ، La 2 O 3

* يمكن أيضًا اعتبار هذه الأكاسيد مركبات أيونية.
** ذرات الأكسجين في الجزيء ليست في حالة التكافؤ المحددة ؛ هذا مجرد مثال لمادة ذات حالة أكسدة لذرات الأكسجين تساوي الصفر
تستبعد طاقة التأين الكبيرة (مثل طاقة الهيدروجين) تكوين كاتيون بسيط من ذرة الأكسجين. طاقة تقارب الإلكترون عالية جدًا (تقريبًا ضعف طاقة الهيدروجين) ، مما يوفر ميلًا أكبر لذرة الأكسجين لربط الإلكترونات والقدرة على تكوين أنيون O 2A. لكن طاقة تقارب الإلكترون لذرة الأكسجين لا تزال أقل من طاقة ذرات الهالوجين وحتى عناصر أخرى من مجموعة VIA. لذلك ، أنيون الأكسجين ( أيونات الأكسيد) موجودة فقط في مركبات الأكسجين التي تحتوي على عناصر تتبرع ذراتها بالإلكترونات بسهولة بالغة.
من خلال مشاركة إلكترونين غير متزاوجين ، يمكن لذرة الأكسجين تكوين رابطتين تساهمية. يمكن لزوجين منفردين من الإلكترونات ، بسبب استحالة الإثارة ، الدخول فقط في تفاعل المتبرع والمتقبل. وبالتالي ، دون مراعاة تعدد الروابط والتهجين ، يمكن أن تكون ذرة الأكسجين في إحدى حالات التكافؤ الخمس (الجدول 29).
أكثر ما يميز ذرة الأكسجين هو حالة التكافؤ دبليوك \ u003d 2 ، أي تكوين رابطتين تساهمية بسبب إلكترونين غير متزاوجين.
تؤدي القدرة الكهربية العالية جدًا لذرة الأكسجين (فقط الفلور أعلى) إلى حقيقة أنه في معظم مركباته ، الأكسجين لديه حالة أكسدة -II. هناك مواد يُظهر فيها الأكسجين قيمًا أخرى لحالة الأكسدة ، بعضها معروض في الجدول 29 كأمثلة ، ويظهر الاستقرار المقارن في الشكل. 10.3.

ج) جزيء الأكسجين

ثبت تجريبياً أن جزيء الأكسجين ثنائي الذرة O 2 يحتوي على إلكترونين غير متزاوجين. باستخدام طريقة روابط التكافؤ ، لا يمكن تفسير مثل هذا الهيكل الإلكتروني لهذا الجزيء. ومع ذلك ، فإن الرابطة في جزيء الأكسجين قريبة من خصائص الرابطة التساهمية. جزيء الأكسجين غير قطبي. المسافة بين الذرات ( ص o – o = 1.21 A = 121 نانومتر) أقل من المسافة بين الذرات المتصلة بواسطة رابطة واحدة. طاقة الارتباط المولية عالية إلى حد ما وتصل إلى 498 كيلو جول / مول.

د) الأكسجين (مادة)

الأكسجين غاز عديم اللون والرائحة في الظروف العادية. يذوب الأكسجين الصلب عند 55 كلفن (-218 درجة مئوية) ، بينما يغلي الأكسجين السائل عند 90 كلفن (-183 درجة مئوية).
الروابط بين الجزيئات في الأكسجين الصلب والسائل أقوى إلى حد ما من الهيدروجين ، كما يتضح من الفاصل الزمني الأكبر لدرجة الحرارة لوجود الأكسجين السائل (36 درجة مئوية) والحرارة المولية للذوبان (0.446 كيلوجول / مول) والتبخير (6. 83) كيلوجول / مول).
الأكسجين قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء: عند 0 درجة مئوية ، فقط 5 أحجام من الأكسجين (الغاز!) تذوب في 100 حجم من الماء (سائل!)
يؤدي الميل العالي لذرات الأكسجين إلى ربط الإلكترونات والقدرة الكهربية العالية إلى حقيقة أن الأكسجين لا يُظهر سوى خصائص مؤكسدة. تظهر هذه الخصائص بشكل خاص عندما درجة حرارة عالية.
يتفاعل الأكسجين مع العديد من المعادن: 2Ca + O 2 = 2CaO، 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( ر);
غير المعادن: C + O 2 \ u003d CO 2 ، P 4 + 5O 2 \ u003d P 4 O 10 ،
والمواد المعقدة: CH 4 + 2O 2 \ u003d CO 2 + 2H 2 O ، 2H 2 S + 3O 2 \ u003d 2H 2 O + 2SO 2.

في أغلب الأحيان ، نتيجة لمثل هذه التفاعلات ، يتم الحصول على أكاسيد مختلفة (انظر الفصل الثاني ، الفقرة 5) ، لكن المعادن القلوية النشطة ، مثل الصوديوم ، تتحول إلى بيروكسيدات عند الاحتراق:

2Na + O 2 \ u003d Na 2 O 2.

الصيغة الهيكلية لبيروكسيد الصوديوم الناتج (Na) 2 (O-O).
شظية مشتعلة موضوعة في الأكسجين تشتعل. هذه طريقة مريحة وسهلة لاكتشاف الأكسجين النقي.
في الصناعة ، يتم الحصول على الأكسجين من الهواء عن طريق التصحيح (التقطير المعقد) ، وفي المختبر ، عن طريق تعريض بعض المركبات المحتوية على الأكسجين للتحلل الحراري ، على سبيل المثال:
2KMnO 4 \ u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 درجة مئوية) ؛
2KClO 3 \ u003d 2KCl + 3O 2 (150 درجة مئوية ، MnO 2 - محفز) ؛
2KNO 3 \ u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 درجة مئوية)
بالإضافة إلى ذلك ، عن طريق التحلل التحفيزي لبيروكسيد الهيدروجين عند درجة حرارة الغرفة: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 - محفز).
يستخدم الأكسجين النقي في الصناعة لتكثيف تلك العمليات التي تحدث فيها الأكسدة ولخلق لهب عالي الحرارة. في تكنولوجيا الصواريخ ، يستخدم الأكسجين السائل كعامل مؤكسد.
يلعب الأكسجين دورًا مهمًا في الحفاظ على حياة النباتات والحيوانات والبشر. في ظل الظروف العادية ، يحتاج الشخص إلى ما يكفي من الأكسجين لاستنشاق الهواء. ولكن في الظروف التي لا يوجد فيها ما يكفي من الهواء ، أو يكون غائبًا تمامًا (في الطائرات ، وأثناء عمليات الغوص ، وفي سفن الفضاء ، وما إلى ذلك). مخاليط الغازتحتوي على الأكسجين. يستخدم الأكسجين أيضًا في الطب للأمراض التي تسبب صعوبة في التنفس.

هـ) الأوزون وجزيئاته

الأوزون O 3 هو ثاني تعديل مؤثر للأكسجين.
يحتوي جزيء الأوزون ثلاثي الذرات على هيكل زاوية في منتصف المسافة بين الهيكلين ممثلة بالصيغ التالية:

الأوزون غاز أزرق داكن ذو رائحة نفاذة. بسبب نشاطه المؤكسد القوي ، فهو سام. الأوزون هو "أثقل" مرة ونصف من الأكسجين وهو أكثر بقليل من الأكسجين ، قابل للذوبان في الماء.
يتكون الأوزون في الغلاف الجوي من الأكسجين أثناء التفريغ الكهربائي البرق:

3O 2 \ u003d 2O 3 ().

في درجات الحرارة العادية ، يتحول الأوزون ببطء إلى أكسجين ، وعند تسخينه ، تستمر هذه العملية بانفجار.
الأوزون موجود في ما يسمى بـ "طبقة الأوزون" من الغلاف الجوي للأرض ، مما يحمي جميع أشكال الحياة على الأرض من الآثار الضارة للإشعاع الشمسي.
في بعض المدن ، يُستخدم الأوزون بدلاً من الكلور لتطهير (تطهير) مياه الشرب.

ارسم الصيغ التركيبية للمواد التالية: OF 2، H 2 O، H 2 O 2، H 3 PO 4، (H 3 O) 2 SO 4، BaO، BaO 2، Ba (OH) 2. قم بتسمية هذه المواد. صف حالات التكافؤ لذرات الأكسجين في هذه المركبات.
حدد حالة التكافؤ والأكسدة لكل ذرة من ذرات الأكسجين.
2. قم بعمل معادلات لتفاعلات الاحتراق في الأكسجين من الليثيوم والمغنيسيوم والألمنيوم والسيليكون والفوسفور الأحمر والسيلينيوم (تتأكسد ذرات السيلينيوم إلى حالة الأكسدة + IV ، وتصل ذرات العناصر المتبقية إلى أعلى حالة أكسدة ). ما هي فئات الأكاسيد التي تنتمي إليها نواتج هذه التفاعلات؟
3. كم لترًا من الأوزون يمكن الحصول عليه (في ظل الظروف العادية) أ) من 9 لترات من الأكسجين ، ب) من 8 جم من الأكسجين؟

الماء هو المادة الأكثر وفرة في القشرة الأرضية. تقدر كتلة مياه الأرض بـ 10 18 طنًا. الماء هو أساس الغلاف المائي لكوكبنا ، بالإضافة إلى أنه موجود في الغلاف الجوي ، على شكل جليد ، فهو يشكل القمم القطبية للأرض والأنهار الجليدية العالية ، وهو أيضًا جزء من مختلف الصخور. تبلغ نسبة كتلة الماء في جسم الإنسان حوالي 70٪.
الماء هو المادة الوحيدة التي لها أسماء خاصة بها في جميع حالات التجمع الثلاث.

التركيب الإلكتروني لجزيء الماء (الشكل 10.4 أ) لقد درسنا بالتفصيل سابقًا (انظر الفقرة 10.7).
بسبب قطبية روابط O - H والشكل الزاوي ، يكون جزيء الماء ثنائي القطب الكهربائي.

لوصف قطبية ثنائي القطب الكهربائي ، تسمى الكمية الفيزيائية " عزم كهربائي لثنائي القطب الكهربائيأو ببساطة " عزم ثنائي الاقطاب".

في الكيمياء ، تُقاس العزم ثنائي القطب بالدب: 1 D = 3.34. 10-30 ج. م

يوجد في جزيء الماء رابطة تساهمية قطبية ، أي ، ثنائيات أقطاب كهربائية ، لكل منهما عزمه ثنائي القطب (و). إجمالي عزم ثنائي القطب للجزيء يساوي مجموع المتجه لهاتين اللحظتين (الشكل 10.5):

(H 2 O) = ,

أين ف 1 و ف 2 - الشحنات الجزئية (+) على ذرات الهيدروجين و - المسافات بين الذرية O - H في الجزيء. لأن ف 1 = ف 2 = ف، ثم

يتم إعطاء لحظات ثنائي القطب المحددة تجريبياً لجزيء الماء وبعض الجزيئات الأخرى في الجدول.

الجدول 30لحظات ثنائية القطب لبعض الجزيئات القطبية

مركب		مركب		مركب

نظرًا لطبيعة ثنائي القطب لجزيء الماء ، غالبًا ما يتم تصويره بشكل تخطيطي على النحو التالي:
الماء النقي سائل عديم اللون بدون طعم أو رائحة. يتم إعطاء بعض الخصائص الفيزيائية الأساسية للمياه في الجدول.

الجدول 31بعض الخصائص الفيزيائية للماء

تشير القيم الكبيرة للحرارة المولية للذوبان والتبخر (مرتبة أكبر من تلك الخاصة بالهيدروجين والأكسجين) إلى أن جزيئات الماء ، في كل من المواد الصلبة والسائلة ، مرتبطة بقوة ببعضها البعض. تسمى هذه الاتصالات روابط هيدروجينية ".

قطبية كهربائية ، لحظة ثنائية القطب ، قطبية اتصالات ، قطبية جزيئية.
كم عدد إلكترونات التكافؤ لذرة الأكسجين التي تشارك في تكوين الروابط في جزيء الماء؟
2. عند تداخل المدارات ، تتشكل الروابط بين الهيدروجين والأكسجين في جزيء الماء؟
3. قم بعمل رسم تخطيطي لتكوين الروابط في جزيء بيروكسيد الهيدروجين H 2 O 2. ماذا يمكنك أن تقول عن التركيب المكاني لهذا الجزيء؟
4. المسافات بين الذرات في جزيئات HF و HCl و HBr متساوية ، على التوالي ، إلى 0.92 ؛ 1.28 و 1.41. باستخدام جدول العزم ثنائي القطب ، احسب وقارن الشحنات الجزئية على ذرات الهيدروجين في هذه الجزيئات.
5. المسافات بين الذرية S - H في جزيء كبريتيد الهيدروجين تساوي 1.34 ، والزاوية بين الروابط هي 92 درجة. حدد قيم الشحنات الجزئية على ذرات الكبريت والهيدروجين. ماذا يمكنك أن تقول عن تهجين مدارات التكافؤ لذرة الكبريت؟

10.4. رابطة الهيدروجين

كما تعلم بالفعل ، نظرًا للاختلاف الكبير في الكهربية للهيدروجين والأكسجين (2.10 و 3.50) ، تكتسب ذرة الهيدروجين في جزيء الماء شحنة جزئية موجبة كبيرة ( فح = 0.33 ه) ، وذرة الأكسجين لها شحنة جزئية سالبة أكبر ( فح = -0.66 ه). تذكر أيضًا أن ذرة الأكسجين لها زوجان وحيدان من الإلكترونات لكل منهما ص 3-هجين AO. تنجذب ذرة الهيدروجين لجزيء ماء إلى ذرة الأكسجين لجزيء آخر ، وبالإضافة إلى ذلك ، فإن نصف فارغة 1s-AO من ذرة الهيدروجين تقبل جزئيًا زوجًا من الإلكترونات من ذرة الأكسجين. نتيجة لهذه التفاعلات بين الجزيئات ، ينشأ نوع خاص من الروابط بين الجزيئية - رابطة هيدروجينية.
في حالة الماء ، يمكن تمثيل تكوين الرابطة الهيدروجينية بشكل تخطيطي على النحو التالي:

في الصيغة الهيكلية الأخيرة ، تظهر ثلاث نقاط (شوط متقطع ، وليس إلكترونات!) رابطة هيدروجينية.

لا توجد الرابطة الهيدروجينية فقط بين جزيئات الماء. يتم تشكيلها إذا تم استيفاء شرطين:
1) هناك رابطة H-E قطبية بقوة في الجزيء (E هو رمز ذرة عنصر كهرسلبي بدرجة كافية) ،
2) يوجد في الجزيء ذرة E ذات شحنة جزئية سالبة كبيرة وزوج من الإلكترونات غير المشترك.
كعنصر E يمكن أن يكون الفلور والأكسجين والنيتروجين. تكون الروابط الهيدروجينية أضعف بكثير إذا كان E عبارة عن كلور أو كبريت.
أمثلة على المواد التي تربطها رابطة هيدروجينية بين الجزيئات: فلوريد الهيدروجين ، والأمونيا الصلبة أو السائلة ، والكحول الإيثيلي ، وغيرها الكثير.

في فلوريد الهيدروجين السائل ، ترتبط جزيئاته بروابط هيدروجينية في سلاسل طويلة إلى حد ما ، بينما في الأمونيا السائلة والصلبة ، تتشكل شبكات ثلاثية الأبعاد.
قوة رابطة الهيدروجين وسيطة بين رابطة كيميائيةوأنواع أخرى من الروابط الجزيئية. عادة ما تقع الطاقة المولارية لرابطة الهيدروجين في النطاق من 5 إلى 50 كيلو جول / مول.
في الماء الصلب (أي بلورات الجليد) ، تكون جميع ذرات الهيدروجين مرتبطة بهيدروجين ذرات الأكسجين ، حيث تشكل كل ذرة أكسجين رابطتين هيدروجينيتين (باستخدام كلا الزوجين الوحيدين من الإلكترونات). مثل هذه البنية تجعل الجليد أكثر "رخوًا" مقارنةً بالماء السائل ، حيث تنكسر بعض الروابط الهيدروجينية ، وتحصل الجزيئات على فرصة "للتعبئة" بشكل أكثر كثافة إلى حد ما. تفسر هذه الميزة لبنية الجليد لماذا ، على عكس معظم المواد الأخرى ، الماء في الحالة الصلبة أقل كثافة منه في الحالة السائلة. يصل الماء إلى كثافته القصوى عند 4 درجات مئوية - عند درجة الحرارة هذه ، يتم كسر عدد كبير جدًا من الروابط الهيدروجينية ، ولا يكون للتمدد الحراري تأثير قوي جدًا على الكثافة.
الروابط الهيدروجينية مهمة جدًا في حياتنا. تخيل للحظة أن الروابط الهيدروجينية قد توقفت عن التكون. فيما يلي بعض النتائج:

• يصبح الماء عند درجة حرارة الغرفة غازيًا حيث تنخفض درجة غليانه إلى حوالي -80 درجة مئوية ؛
• ستبدأ جميع الخزانات في التجمد من القاع ، لأن كثافة الجليد ستكون أكبر من كثافة الماء السائل ؛
• سيتوقف الحلزون المزدوج للحمض النووي عن الوجود ، وأكثر من ذلك بكثير.

تكفي الأمثلة المقدمة لفهم أنه في هذه الحالة ، ستكون الطبيعة على كوكبنا مختلفة تمامًا.

HYDROGEN BOND ، شروط تكوينها.
صيغة الكحول الإيثيلي هي CH 3 -CH 2 -O-H. بين أي ذرات من جزيئات مختلفة من هذه المادة تتكون الروابط الهيدروجينية؟ قم بعمل صيغ هيكلية توضح تكوينها.
2. الروابط الهيدروجينية لا توجد فقط في المواد الفردية ، ولكن أيضًا في المحاليل. تظهر مع الصيغ الهيكليةكيف تتشكل روابط الهيدروجين في محلول مائي من أ) الأمونيا ، ب) فلوريد الهيدروجين ، ج) الإيثانول (كحول الإيثيل). \ u003d 2H 2 O.
كلا التفاعلين يحدثان في الماء باستمرار وبنفس المعدل ، وبالتالي ، هناك توازن في الماء: 2H 2 O AN 3 O + OH.
هذا التوازن يسمى توازن الانحلال الذاتيماء.

يكون التفاعل المباشر لهذه العملية القابلة للانعكاس ماصًا للحرارة ، وبالتالي ، عند تسخينه ، يزداد التحلل الذاتي ، بينما في درجة حرارة الغرفة ، يتحول التوازن إلى اليسار ، أي أن تركيزات أيونات H 3 O و OH لا تذكر. ماذا هم متساوون؟
حسب قانون العمل الجماهيري

ولكن نظرًا لحقيقة أن عدد جزيئات الماء المتفاعلة غير مهم مقارنة بالعدد الإجمالي لجزيئات الماء ، يمكننا أن نفترض أن تركيز الماء أثناء التحلل الذاتي لا يتغير عمليًا ، و 2 = const مثل هذا التركيز المنخفض من الأيونات مشحونة معاكسة في الماء النقي يفسر لماذا هذا السائل ، على الرغم من ضعفها ، لا يزال يدير التيار الكهربائي.

التحلل الذاتي للماء ، وثابت التحلل الذاتي (المنتج الأيوني) من الماء.
المنتج الأيوني للأمونيا السائلة (نقطة الغليان -33 درجة مئوية) هو 2 10-28. اكتب معادلة للتحلل الذاتي للأمونيا. تحديد تركيز أيونات الأمونيوم في الأمونيا السائلة النقية. الموصلية الكهربائية لأي من المواد أكبر ، الماء أم الأمونيا السائلة؟

1. الحصول على الهيدروجين واحتراقه (خصائص الاختزال).
2. الحصول على الأكسجين واحتراق المواد فيه (خواص مؤكسدة).

الأكسجينهو أحد أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض. تشكل حوالي نصف وزن قشرة الأرض ، الغلاف الخارجي للكوكب. بالاشتراك مع الهيدروجين ، فإنه يشكل الماء ، ويغطي أكثر من ثلثي سطح الأرض.

لا يمكننا رؤية الأكسجين ، ولا يمكننا تذوقه أو شمه. ومع ذلك ، فإنه يشكل خمس الهواء وهو أمر حيوي. لكي نعيش ، نحتاج ، مثل الحيوانات والنباتات ، إلى التنفس.

الأكسجين مشارك لا غنى عنه في التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل أي خلية مجهرية للكائن الحي ، ونتيجة لذلك العناصر الغذائيةويتم تحرير الطاقة اللازمة للحياة. هذا هو السبب في أن الأكسجين ضروري جدًا لكل كائن حي (باستثناء أنواع قليلة من الميكروبات).

عند الاحتراق ، تتحد المواد مع الأكسجين ، وتطلق الطاقة على شكل حرارة وضوء.

هيدروجين

العنصر الأكثر شيوعًا في الكون هو هيدروجين. يمثل الجزء الأكبر من معظم النجوم. على الأرض ، يرتبط معظم الهيدروجين (الرمز الكيميائي H) بالأكسجين (O) لتكوين الماء (H20). الهيدروجين هو الأبسط والأكثر مادة كيميائية خفيفةعنصر ، لأن كل ذرة تتكون من بروتون واحد وإلكترون واحد فقط.

في بداية القرن العشرين ، كانت المناطيد والطائرات الكبيرة مملوءة بالهيدروجين. ومع ذلك ، فإن الهيدروجين شديد الاشتعال. بعد العديد من الكوارث التي سببتها الحرائق ، لم يعد يستخدم الهيدروجين في المناطيد. اليوم ، يتم استخدام غاز خفيف آخر في الطيران - الهيليوم غير القابل للاشتعال.

يتحد الهيدروجين مع الكربون لتكوين مواد تسمى الهيدروكربونات. وتشمل هذه المنتجات المشتقة من الغاز الطبيعي والنفط الخام ، مثل غاز البروبان والبيوتان أو البنزين السائل. يتحد الهيدروجين أيضًا مع الكربون والأكسجين لتكوين الكربوهيدرات. النشا في البطاطس والأرز والسكر في البنجر من الكربوهيدرات.

تتكون معظم الشمس والنجوم الأخرى من الهيدروجين. في مركز النجم ، تدفع درجات الحرارة والضغوط الهائلة ذرات الهيدروجين للاندماج مع بعضها البعض وتحويلها إلى غاز آخر - الهيليوم. هذا يطلق كمية هائلة من الطاقة في شكل حرارة وضوء.

• التعيين - H (الهيدروجين) ؛
• الاسم اللاتيني - الهيدروجين.
• الفترة - أنا ؛
• المجموعة - 1 (Ia) ؛
• الكتلة الذرية - 1.00794 ؛
• العدد الذري - 1 ؛
• نصف قطر الذرة = 53 م.
• نصف القطر التساهمي = 32 م ؛
• توزيع الإلكترونات - 1s 1 ؛
• نقطة الانصهار = -259.14 درجة مئوية ؛
• نقطة الغليان = -252.87 درجة مئوية ؛
• الكهربية (وفقًا لـ Pauling / وفقًا لـ Alpred و Rochov) \ u003d 2.02 / - ؛
• حالة الأكسدة: +1 ؛ 0 ؛ -1 ؛
• الكثافة (غير معروف) = 0.0000899 جم / سم 3 ؛
• الحجم المولي = 14.1 سم 3 / مول.

مركبات ثنائي الهيدروجين مع الأكسجين:

اكتشف العالم الإنجليزي جي كافنديش الهيدروجين ("ولادة الماء") في عام 1766. هذا هو أبسط عنصر في الطبيعة - ذرة الهيدروجين لها نواة وإلكترون واحد ، وربما لهذا السبب فإن الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعًا في الكون (أكثر من نصف كتلة معظم النجوم).

فيما يتعلق بالهيدروجين ، يمكننا القول إن "البكرة صغيرة ولكنها باهظة الثمن". على الرغم من "بساطته" ، يعطي الهيدروجين الطاقة لجميع الكائنات الحية على الأرض - يحدث تفاعل نووي حراري مستمر على الشمس ، حيث تتشكل ذرة هيليوم واحدة من أربع ذرات هيدروجين ، ويصاحب هذه العملية إطلاق كمية هائلة من الطاقة (لمزيد من التفاصيل ، انظر الاندماج النووي).

نسبة كتلة الهيدروجين في القشرة الأرضية 0.15٪ فقط. وفي الوقت نفسه ، فإن الغالبية العظمى (95٪) معروفة على وجه الأرض مواد كيميائيةتحتوي على ذرة هيدروجين واحدة أو أكثر.

في المركبات التي لا تحتوي على معادن (HCl ، H 2 O ، CH 4 ...) ، يتخلى الهيدروجين عن إلكترونه الوحيد إلى المزيد من العناصر الكهربية ، مما يُظهر حالة أكسدة +1 (في كثير من الأحيان) ، وتشكيل روابط تساهمية فقط (انظر التساهمية رابطة).

في المركبات التي تحتوي على معادن (NaH ، CaH 2 ...) ، على العكس من ذلك ، يأخذ الهيدروجين إلكترونًا إضافيًا في مداره s الوحيد ، وبالتالي يحاول إكمال طبقة الإلكترون الخاصة به ، مما يدل على حالة أكسدة -1 (أقل في كثير من الأحيان) ، وتشكيل رابطة أيونية في كثير من الأحيان (انظر الرابطة الأيونية) ، لأن الاختلاف في الكهربية لذرة الهيدروجين وذرة المعدن يمكن أن يكون كبيرًا جدًا.

H2

في الحالة الغازية ، يكون الهيدروجين على شكل جزيئات ثنائية الذرة ، مكونة رابطة تساهمية غير قطبية.

تحتوي جزيئات الهيدروجين على:

• تنقل كبير
• قوة كبيرة
• استقطاب منخفض
• صغر الحجم والوزن.

خصائص غاز الهيدروجين:

• أخف غاز في الطبيعة ، عديم اللون والرائحة ؛
• ضعيف الذوبان في الماء والمذيبات العضوية ؛
• يذوب بكميات صغيرة في المعادن السائلة والصلبة (خاصة في البلاتين والبلاديوم) ؛
• يصعب تسييله (بسبب قلة الاستقطاب) ؛
• لديه أعلى موصلية حرارية لجميع الغازات المعروفة ؛
• عند تسخينه ، يتفاعل مع العديد من اللافلزات ، ويظهر خصائص عامل الاختزال ؛
• عند درجة حرارة الغرفة يتفاعل مع الفلور (يحدث انفجار): H 2 + F 2 = 2HF ؛
• يتفاعل مع المعادن لتشكيل الهيدرات ، مما يدل على خصائص الأكسدة: H 2 + Ca = CaH 2 ؛

في المركبات ، يُظهر الهيدروجين خصائصه المختزلة بقوة أكبر بكثير من تلك المؤكسدة. الهيدروجين هو أقوى عامل اختزال بعد الفحم والألمنيوم والكالسيوم. تستخدم الخصائص المختزلة للهيدروجين على نطاق واسع في الصناعة للحصول على المعادن وغير المعدنية ( مواد بسيطة) من الأكاسيد والجلايدات.

Fe 2 O 3 + 3H 2 \ u003d 2Fe + 3H 2 O

تفاعلات الهيدروجين مع المواد البسيطة

يقبل الهيدروجين الإلكترون ، ويلعب الدور الحد من وكيل، في ردود الفعل:

• مع الأكسجين(عند الاشتعال أو في وجود محفز) ، بنسبة 2: 1 (هيدروجين: أكسجين) يتكون غاز تفجير متفجر: 2H 2 0 + O 2 \ u003d 2H 2 +1 O + 572 kJ
• مع رمادي(عند التسخين إلى 150 درجة مئوية - 300 درجة مئوية): H 2 0 + S ↔ H 2 +1 S
• مع الكلور(عند الاشتعال أو الإشعاع بالأشعة فوق البنفسجية): H 2 0 + Cl 2 \ u003d 2H +1 Cl
• مع الفلور: H 2 0 + F 2 \ u003d 2H +1 F
• مع نتروجين(عند التسخين في وجود محفزات أو عند ضغط مرتفع): 3H 2 0 + N 2 2NH 3 +1

يتبرع الهيدروجين بإلكترون ، ويلعب الدور عامل مؤكسد، في ردود الفعل مع قلويو القلوية الترابيةالمعادن لتشكيل هيدرات المعادن - المركبات الأيونية الشبيهة بالملح التي تحتوي على أيونات الهيدريد H - هي مواد بلورية غير مستقرة ذات لون أبيض.

Ca + H 2 \ u003d CaH 2 -1 2Na + H 2 0 \ u003d 2NaH -1

من غير المألوف أن يُظهر الهيدروجين حالة أكسدة تبلغ -1. تتفاعل الهيدريدات مع الماء ، وتتحلل ، مما يقلل الماء إلى الهيدروجين. يكون تفاعل هيدريد الكالسيوم مع الماء كما يلي:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 \ u003d 2H 2 0 + Ca (OH) 2

تفاعلات الهيدروجين مع المواد المعقدة

• عند درجة حرارة عالية ، يقلل الهيدروجين من العديد من أكاسيد المعادن: ZnO + H 2 \ u003d Zn + H 2 O
• يتم الحصول على كحول الميثيل نتيجة تفاعل الهيدروجين مع أول أكسيد الكربون (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• في تفاعلات الهدرجة ، يتفاعل الهيدروجين مع العديد من المواد العضوية.

بمزيد من التفصيل ، تم تناول معادلات التفاعلات الكيميائية للهيدروجين ومركباته في صفحة "الهيدروجين ومركباته - معادلات التفاعلات الكيميائية التي تحتوي على الهيدروجين".

تطبيق الهيدروجين

• في الطاقة النووية ، تستخدم نظائر الهيدروجين - الديوتيريوم والتريتيوم.
• في الصناعة الكيميائية ، يستخدم الهيدروجين في تصنيع العديد من المواد العضوية والأمونيا وكلوريد الهيدروجين ؛
• الخامس الصناعات الغذائيةيستخدم الهيدروجين في إنتاج الدهون الصلبة من خلال الهدرجة الزيوت النباتية;
• لحام وقطع المعادن ، يتم استخدام درجة حرارة احتراق عالية للهيدروجين في الأكسجين (2600 درجة مئوية) ؛
• في إنتاج بعض المعادن ، يستخدم الهيدروجين كعامل اختزال (انظر أعلاه) ؛
• بما أن الهيدروجين غاز خفيف ، فإنه يستخدم في الطيران كمادة مالئة بالونات، البالونات ، المناطيد.
• كوقود ، يستخدم الهيدروجين ممزوجًا بأول أكسيد الكربون.

في الآونة الأخيرة ، أولى العلماء اهتمامًا كبيرًا للبحث عن مصادر بديلة للطاقة المتجددة. ومن المجالات الواعدة طاقة "الهيدروجين" ، حيث يستخدم الهيدروجين كوقود ، ويكون ناتج الاحتراق هو الماء العادي.

طرق إنتاج الهيدروجين

الطرق الصناعية لانتاج الهيدروجين:

• تحويل الميثان (الاختزال التحفيزي لبخار الماء) ببخار الماء عند درجة حرارة عالية (800 درجة مئوية) على محفز نيكل: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ؛
• تحويل أول أكسيد الكربون بالبخار (t = 500 درجة مئوية) على محفز Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ؛
• التحلل الحراري للميثان: CH 4 \ u003d C + 2H 2 ؛
• تغويز الوقود الصلب(ر = 1000 درجة مئوية): C + H 2 O = CO + H 2 ؛
• التحليل الكهربائي للماء (طريقة مكلفة للغاية للحصول على هيدروجين نقي جدًا): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين:

• العمل على المعادن (عادة الزنك) مع الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك المخفف: Zn + 2HCl \ u003d ZCl 2 + H 2 ؛ Zn + H 2 SO 4 \ u003d ZnSO 4 + H 2 ؛
• تفاعل بخار الماء مع نشارة الحديد الساخن: 4H 2 O + 3Fe \ u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.

الخصائص الكيميائية للهيدروجين

في ظل الظروف العادية ، يكون الهيدروجين الجزيئي غير نشط نسبيًا ، حيث يتحد بشكل مباشر مع أكثر اللافلزات نشاطًا فقط (مع الفلور ، وفي الضوء أيضًا مع الكلور). ومع ذلك ، عند تسخينه ، فإنه يتفاعل مع العديد من العناصر.

يتفاعل الهيدروجين مع المواد البسيطة والمعقدة:

- تفاعل الهيدروجين مع المعادن يؤدي إلى تكوين مواد معقدة - الهيدريدات ، في الصيغ الكيميائية التي تأتي فيها ذرة المعدن دائمًا أولاً:

عند درجة حرارة عالية ، يتفاعل الهيدروجين مباشرة مع بعض المعادن(القلوية والأرض القلوية وغيرها) ، وتشكيل مواد بلورية بيضاء - هيدرات المعادن (Li H ، Na H ، KH ، CaH 2 ، إلخ):

H 2 + 2Li = 2LiH

تتحلل هيدرات المعادن بسهولة بواسطة الماء مع تكوين القلويات والهيدروجين المقابل:

سا H 2 + 2H 2 O \ u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

- عندما يتفاعل الهيدروجين مع اللافلزات تتشكل مركبات الهيدروجين المتطايرة. في صيغة كيميائيةمركب الهيدروجين المتطاير ، يمكن أن تكون ذرة الهيدروجين إما في المقام الأول أو في المرتبة الثانية ، اعتمادًا على الموقع في PSCE (انظر اللوحة في الشريحة):

1). بالأكسجينيتكون الهيدروجين من الماء:

فيديو "احتراق الهيدروجين"

2H 2 + O 2 \ u003d 2H 2 O + Q

في درجات الحرارة العادية ، يستمر التفاعل ببطء شديد ، فوق 550 درجة مئوية - مع حدوث انفجار (يسمى خليط من مجلدين من H 2 وحجم 1 من O 2 غاز متفجر) .

فيديو "انفجار غاز متفجر"

فيديو "تحضير وانفجار خليط متفجر"

2). مع الهالوجيناتيتكون الهيدروجين من هاليدات الهيدروجين ، على سبيل المثال:

H 2 + Cl 2 \ u003d 2HCl

ينفجر الهيدروجين بالفلور (حتى في الظلام وعند -252 درجة مئوية) ، ويتفاعل مع الكلور والبروم فقط عند إضاءته أو تسخينه ، ومع اليود فقط عند تسخينه.

3). بالنيتروجينيتفاعل الهيدروجين مع تكوين الأمونيا:

ZN 2 + N 2 \ u003d 2NH 3

فقط على محفز وفي درجات حرارة وضغوط مرتفعة.

4). عند تسخينه ، يتفاعل الهيدروجين بقوة بالكبريت:

H 2 + S \ u003d H 2 S (كبريتيد الهيدروجين) ،

أكثر صعوبة مع السيلينيوم والتيلوريوم.

5). بالكربون النقييمكن للهيدروجين أن يتفاعل بدون محفز فقط في درجات حرارة عالية:

2H 2 + C (غير متبلور) = CH 4 (ميثان)

- يدخل الهيدروجين في تفاعل إحلال مع أكاسيد الفلزات ، بينما يتكون الماء في المنتجات ويقل المعدن. الهيدروجين - يعرض خصائص عامل الاختزال:

يستخدم الهيدروجين لاستعادة العديد من المعادنلأنه يزيل الأكسجين من أكاسيدها:

Fe 3 O 4 + 4H 2 \ u003d 3Fe + 4H 2 O ، إلخ.

تطبيق الهيدروجين

فيديو "استخدام الهيدروجين"

حاليًا ، يتم إنتاج الهيدروجين بكميات ضخمة. يستخدم جزء كبير منه في تصنيع الأمونيا وهدرجة الدهون وهدرجة الفحم والزيوت والهيدروكربونات. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم الهيدروجين لتخليق حمض الهيدروكلوريك ، وكحول الميثيل ، وحمض الهيدروسيانيك ، ولحام المعادن وتزويرها ، وكذلك في تصنيع المصابيح المتوهجة و أحجار الكريمة. يُعرض الهيدروجين للبيع في أسطوانات تحت ضغط يزيد عن 150 ضغط جوي. إنها مطلية باللون الأخضر الداكن ومزودة بنقش أحمر "هيدروجين".

يستخدم الهيدروجين لتحويل الدهون السائلة إلى دهون صلبة (الهدرجة) ، لإنتاج الوقود السائل عن طريق هدرجة الفحم وزيت الوقود. في علم المعادن ، يستخدم الهيدروجين كعامل اختزال للأكاسيد أو الكلوريدات لإنتاج المعادن وغير المعدنية (الجرمانيوم ، السيليكون ، الغاليوم ، الزركونيوم ، الهافنيوم ، الموليبدينوم ، التنجستن ، إلخ).

يتنوع التطبيق العملي للهيدروجين: فهو عادة ما يتم ملؤه بالبالونات ، وفي الصناعة الكيميائية يُستخدم كمواد خام لإنتاج العديد من المنتجات المهمة جدًا (الأمونيا ، إلخ) ، في صناعة المواد الغذائية - لإنتاج المواد الصلبة. الدهون من الزيوت النباتية ، إلخ. درجة الحرارة المرتفعة (حتى 2600 درجة مئوية) ، والتي يتم الحصول عليها عن طريق حرق الهيدروجين في الأكسجين ، تستخدم لصهر المعادن المقاومة للحرارة ، والكوارتز ، وما إلى ذلك. يعتبر الهيدروجين السائل أحد أكثر أنواع الوقود النفاث كفاءة. يتجاوز الاستهلاك العالمي السنوي للهيدروجين مليون طن.

المحاكاة

رقم 2. هيدروجين

مهام التعزيز

رقم المهمة 1
اصنع معادلات تفاعلات تفاعل الهيدروجين مع المواد التالية: F 2، Ca، Al 2 O 3، أكسيد الزئبق (II)، أكسيد التنجستن (VI). قم بتسمية نواتج التفاعل ، ووضح أنواع التفاعلات.

رقم المهمة 2
إجراء التحولات حسب المخطط:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

رقم المهمة 3.
احسب كتلة الماء التي يمكن الحصول عليها بحرق 8 جم من الهيدروجين؟

الأكسجين هو العنصر الأكثر وفرة على وجه الأرض. مع النيتروجين وكمية صغيرة من الغازات الأخرى ، يشكل الأكسجين الحر الغلاف الجوي للأرض. محتواه في الهواء 20.95٪ بالحجم أو 23.15٪ بالكتلة. في القشرة الأرضية ، 58٪ من الذرات عبارة عن ذرات أكسجين مرتبط (47٪ بالكتلة). الأكسجين جزء من الماء (احتياطيات الأكسجين المرتبط في الغلاف المائي كبيرة للغاية) ، والصخور والعديد من المعادن والأملاح ، ويوجد في الدهون والبروتينات والكربوهيدرات التي تشكل الكائنات الحية. يتم إنشاء وتخزين كل الأكسجين الحر الموجود على الأرض تقريبًا نتيجة لعملية التمثيل الضوئي.

الخصائص الفيزيائية.

الأكسجين غاز عديم اللون والمذاق والرائحة ، أثقل قليلاً من الهواء. إنه قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء (يذوب 31 مل من الأكسجين في لتر واحد من الماء عند 20 درجة) ، لكنه لا يزال أفضل من الغازات الأخرى في الغلاف الجوي ، لذلك يتم إثراء الماء بالأكسجين. كثافة الأكسجين في الظروف العادية 1.429 جم / لتر. عند درجة حرارة -183 درجة مئوية وضغط 101.325 كيلو باسكال ، يمر الأكسجين إلى الحالة السائلة. الأكسجين السائل له لون مزرق ، يتم سحبه في المجال المغناطيسي ، وعند -218.7 درجة مئوية ، يشكل بلورات زرقاء.

للأكسجين الطبيعي ثلاثة نظائر O 16 ، O 17 ، O 18.

التآصلي- قدرة عنصر كيميائيتوجد في شكل مادتين بسيطتين أو أكثر تختلف فقط في عدد الذرات في الجزيء ، أو في التركيب.

الأوزون O 3 - موجود في الطبقات العلياالغلاف الجوي على ارتفاع 20-25 كم من سطح الأرض ويشكل ما يسمى "طبقة الأوزون" التي تحمي الأرض من التدمير. الأشعة فوق البنفسجيةشمس؛ أرجواني شاحب ، غاز سام بكميات كبيرة برائحة نفاذة ولكن لطيفة. نقطة الانصهار هي -192.7 0 درجة مئوية ، ونقطة الغليان هي -111.9 0 درجة مئوية ، فلنذوب في الماء أفضل من الأكسجين.

الأوزون عامل مؤكسد قوي. يعتمد نشاطه المؤكسد على قدرة الجزيء على التحلل مع إطلاق الأكسجين الذري:

يؤكسد العديد من المواد البسيطة والمعقدة. يشكل الأوزون مع بعض المعادن ، على سبيل المثال ، أوزونيد البوتاسيوم:

K + O 3 \ u003d KO 3

يتم الحصول على الأوزون من أجهزة خاصة- أجهزة الأوزون. في نفوسهم ، تحت تأثير التفريغ الكهربائي ، يتم تحويل الأكسجين الجزيئي إلى أوزون:

يحدث رد فعل مشابه تحت تأثير تصريفات الصواعق.

يرجع استخدام الأوزون إلى خصائصه المؤكسدة القوية: فهو يستخدم لتبييض الأقمشة وتعقيمها يشرب الماء، في الطب كمطهر.

استنشاق الأوزون بكميات كبيرة ضار: فهو يهيج الأغشية المخاطية للعينين والجهاز التنفسي.

الخواص الكيميائية.

في تفاعلات كيميائيةمع ذرات العناصر الأخرى (باستثناء الفلور) ، يُظهر الأكسجين خصائص مؤكسدة حصرية

الأكثر أهمية خاصية كيميائية- القدرة على تكوين أكاسيد من جميع العناصر تقريبًا. في الوقت نفسه ، يتفاعل الأكسجين مباشرة مع معظم المواد ، خاصة عند تسخينها.

نتيجة لهذه التفاعلات ، كقاعدة عامة ، تتشكل أكاسيد ، وغالبًا ما تكون بيروكسيدات:

2Ca + O 2 \ u003d 2CaO

2Ва + О 2 = 2ВаО

2Na + O 2 \ u003d Na 2 O 2

لا يتفاعل الأكسجين بشكل مباشر مع الهالوجينات والذهب والبلاتين ، ويتم الحصول على أكاسيدها بشكل غير مباشر. عند التسخين ، يحترق الكبريت والكربون والفوسفور في الأكسجين.

يبدأ تفاعل الأكسجين مع النيتروجين فقط عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية أو في التفريغ الكهربائي:

N 2 + O 2 \ u003d 2NO

يتحد الأكسجين مع الهيدروجين لتكوين الماء:

2H 2 + O 2 \ u003d 2H 2 O

أثناء هذا التفاعل ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة.

مزيج من مجلدين من الهيدروجين مع أكسجين واحد ينفجر عند الاشتعال ؛ يطلق عليه الغاز المتفجر.

تتعرض العديد من المعادن التي تتلامس مع الأكسجين الجوي للتدمير - التآكل. تتأكسد بعض المعادن في الظروف العادية فقط من السطح (على سبيل المثال ، الألومنيوم والكروم). يمنع فيلم الأكسيد الناتج المزيد من التفاعل.

4Al + 3O 2 \ u003d 2Al 2 O 3

تتفاعل أيضًا المواد المعقدة في ظل ظروف معينة مع الأكسجين. في هذه الحالة ، تتشكل الأكاسيد ، وفي بعض الحالات ، الأكاسيد والمواد البسيطة.

CH 4 + 2O 2 \ u003d CO 2 + 2H 2 O

H 2 S + O 2 \ u003d 2SO 2 + 2H 2 O

4NH 3 + ZO 2 \ u003d 2N 2 + 6H 2 O

4CH 3 NH 2 + 9O 2 = 4CO 2 + 2N 2 + 10H 2 O

عند التفاعل مع المواد المعقدة ، يعمل الأكسجين كعامل مؤكسد. تعتمد خاصيته المهمة على النشاط المؤكسد للأكسجين - القدرة على الحفاظ عليه الإحتراقمواد.

مع الهيدروجين ، يشكل الأكسجين أيضًا مركبًا - بيروكسيد الهيدروجين H 2 O 2 - سائل شفاف عديم اللون مع احتراق طعم قابض، عالي الذوبان في الماء. كيميائيًا ، يعتبر بيروكسيد الهيدروجين مركبًا مثيرًا للاهتمام. يتميز ثباته المنخفض: عند الوقوف ، يتحلل ببطء إلى ماء وأكسجين:

H 2 O 2 \ u003d H 2 O + O 2

يؤدي الضوء والحرارة ووجود القلويات والتلامس مع عوامل مؤكسدة أو مختزلة إلى تسريع عملية التحلل. درجة أكسدة الأكسجين في بيروكسيد الهيدروجين = - 1 ، أي له قيمة وسيطة بين حالة أكسدة الأكسجين في الماء (-2) والأكسجين الجزيئي (0) ، لذلك يُظهر بيروكسيد الهيدروجين ازدواجية الأكسدة والاختزال. تكون الخصائص المؤكسدة لبيروكسيد الهيدروجين أكثر وضوحًا من الخصائص المختزلة ، وتظهر في الوسائط الحمضية والقلوية والمحايدة.

H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 \ u003d K 2 SO 4 + I 2 + 2H 2 O