برهمکنش هیدروژن با اکسیژن یک واکنش است. فصل چهارم مواد ساده و پیچیده. هیدروژن و اکسیژن چرا هیدروژن قابل اشتعال است

10.1 هیدروژن

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

الف) عنصر شیمیایی هیدروژن

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

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

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

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

ب) اتم هیدروژن

از جانب بخش های قبلیدر درس شیمی، شما قبلاً ویژگی های زیر اتم هیدروژن را می دانید:

قابلیت های ظرفیت یک اتم هیدروژن با حضور یک الکترون در یک اوربیتال تک ظرفیتی تعیین می شود. انرژی یونیزه شدن زیاد باعث می شود اتم هیدروژن مستعد اهدای الکترون نباشد و تمایل نه چندان زیاد الکترون منجر به تمایل جزئی به پذیرش آن می شود. در نتیجه، در سیستم های شیمیایی، تشکیل کاتیون H غیرممکن است و ترکیبات با آنیون H چندان پایدار نیستند. بنابراین، تشکیل یک پیوند کووالانسی با اتم های دیگر به دلیل یک الکترون جفت نشده آن، از ویژگی های اتم هیدروژن است. هم در مورد تشکیل آنیون و هم در مورد تشکیل پیوند کووالانسی، اتم هیدروژن تک ظرفیتی است.
در یک ماده ساده، حالت اکسیداسیون اتم‌های هیدروژن صفر است، در اکثر ترکیبات هیدروژن حالت اکسیداسیون +I را نشان می‌دهد و تنها در هیدریدهایی که کمترین عنصر الکترومنفی در هیدروژن را دارند، حالت اکسیداسیون -I دارد.
اطلاعات مربوط به قابلیت های ظرفیت اتم هیدروژن در جدول 28 آورده شده است. وضعیت ظرفیت یک اتم هیدروژن متصل به یک پیوند کووالانسی با هر اتمی در جدول با نماد "H-" نشان داده شده است.

جدول 28احتمالات ظرفیت اتم هیدروژن

وضعیت ظرفیت				نمونه هایی از مواد شیمیایی
			من 0 -من	HCl، H2O، H2S، NH3، CH4، C2H6، NH4Cl، H2SO4، NaHCO3، KOH H2 B 2 H 6 ، SiH 4 ، GeH 4
				NaH، KH، CaH 2، BaH 2

ج) مولکول هیدروژن

مولکول هیدروژن دو اتمی H 2 زمانی تشکیل می شود که اتم های هیدروژن با تنها پیوند کووالانسی ممکن برای آنها متصل شوند. ارتباط با مکانیسم تبادل شکل می گیرد. با توجه به نحوه همپوشانی ابرهای الکترونی، این یک پیوند s است (شکل 10.1 آ). از آنجایی که اتم ها یکسان هستند، پیوند غیر قطبی است.

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

د) هیدروژن (ماده)

در شرایط عادی، هیدروژن گازی بی رنگ و بی بو است. در نه مقادیر زیادغیر سمی است هیدروژن جامد در دمای 14 کلوین (259- درجه سانتیگراد) ذوب می شود، در حالی که هیدروژن مایع در دمای 20 کلوین (253- درجه سانتیگراد) می جوشد. نقطه ذوب و جوش پایین، فاصله دمایی بسیار کم برای وجود هیدروژن مایع (فقط 6 درجه سانتیگراد)، و همچنین گرمای مولی کوچک ذوب (0.117 کیلوژول بر مول) و تبخیر (0.903 کیلوژول بر مول) نشان می دهد که پیوندهای بین مولکولی در هیدروژن بسیار ضعیف است.
چگالی هیدروژن r (H 2) \u003d (2 گرم در مول): (22.4 لیتر در مول) \u003d 0.0893 گرم در لیتر. برای مقایسه: میانگین چگالی هوا 1.29 گرم در لیتر است. یعنی هیدروژن 14.5 برابر "سبک تر" از هوا است. عملاً در آب نامحلول است.
در دمای اتاقهیدروژن غیر فعال است، اما هنگامی که گرم می شود، با بسیاری از مواد واکنش می دهد. در این واکنش ها، اتم های هیدروژن می توانند هم حالت اکسیداسیون خود را افزایش و هم کاهش دهند: H 2 + 2 ه- \u003d 2H -I، H 2 - 2 ه- \u003d 2H + I.
در حالت اول، هیدروژن یک عامل اکسید کننده است، به عنوان مثال، در واکنش با سدیم یا کلسیم: 2Na + H 2 = 2NaH، ( تی) Ca + H 2 = CaH 2 . ( تی)
اما خواص کاهشی بیشتر از هیدروژن است: O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O، ( تی)
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. ( تی)
هنگامی که هیدروژن گرم می شود، نه تنها توسط اکسیژن، بلکه توسط برخی از غیر فلزات دیگر مانند فلوئور، کلر، گوگرد و حتی نیتروژن نیز اکسید می شود.
در آزمایشگاه، هیدروژن در اثر واکنش تولید می شود

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

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

در صنعت، هیدروژن در مقادیر زیادی از گاز طبیعی (عمدتاً متان) با برهمکنش با بخار آب در دمای 800 درجه سانتیگراد در حضور کاتالیزور نیکل به دست می‌آید:

CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2 ( تی، نی)

یا در دمای بالا با زغال سنگ بخار آب تصفیه می شود:

2H 2 O + C \u003d 2H 2 + CO 2. ( تی)

هیدروژن خالص با تجزیه آب از آب بدست می آید شوک الکتریکی(در معرض الکترولیز):

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (الکترولیز).

ه) ترکیبات هیدروژنی

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

B 2 H 6 ؛ CH 4 . NH3; H2O; HF
SiH 4 ;PH 3 ; H2S; HCl
AsH 3 ; H2Se; HBr
H2Te; سلام
به استثنای آب، همه این ترکیبات در دمای اتاق مواد گازی هستند، از این رو نام آنها "هیدریدهای فرار" است.
برخی از عناصر تشکیل دهنده غیر فلزات نیز در هیدریدهای پیچیده تری گنجانده شده اند. به عنوان مثال، کربن ترکیباتی با فرمول کلی C را تشکیل می دهد n H2 n+2، C n H2 n، سی n H2 n-2 و دیگران، جایی که nمی تواند بسیار بزرگ باشد (شیمی آلی این ترکیبات را مطالعه می کند).
هیدریدهای یونی شامل هیدریدهای قلیایی، قلیایی خاکی و منیزیم هستند. بلورهای این هیدریدها از آنیون های H و کاتیون های فلزی در بالاترین حالت اکسیداسیون Me یا Me 2 (بسته به گروه سیستم عناصر) تشکیل شده است.

LiH
NaH	MgH2
KH	CaH2
RbH	SrH 2
CSH	BaH2

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

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

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

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.

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

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

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

10.2 اکسیژن

همانطور که در مورد هیدروژن، کلمه "اکسیژن" هم نام یک عنصر شیمیایی و هم یک ماده ساده است. جز ماده ساده" اکسیژن"(دی‌اکسیژن) عنصر شیمیایی اکسیژن ماده ساده دیگری به نام « ازن"(تری اکسیژن). این تغییرات آلوتروپیکاکسیژن. ماده اکسیژن از مولکول های اکسیژن O 2 و ماده ازن از مولکول های ازن O 3 تشکیل شده است.

الف) عنصر شیمیایی اکسیژن

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

ب) اتم اکسیژن

ویژگی های زیر اتم اکسیژن را می دانید.

جدول 29احتمالات ظرفیت اتم اکسیژن

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

* این اکسیدها را می توان به عنوان ترکیبات یونی نیز در نظر گرفت.
** اتم های اکسیژن در مولکول در وضعیت ظرفیت معین نیستند. این فقط یک نمونه از یک ماده با حالت اکسیداسیون اتم های اکسیژن برابر با صفر است
انرژی یونیزاسیون بالا (مانند انرژی هیدروژن) تشکیل یک کاتیون ساده از اتم اکسیژن را حذف می کند. انرژی میل ترکیبی الکترون بسیار زیاد است (تقریباً دو برابر انرژی هیدروژن)، که میل بیشتری را برای اتم اکسیژن برای اتصال الکترون‌ها و توانایی تشکیل آنیون‌های O2A فراهم می‌کند. اما انرژی میل ترکیبی الکترون اتم اکسیژن هنوز کمتر از اتم های هالوژن و حتی سایر عناصر گروه VIA است. بنابراین، آنیون های اکسیژن ( یون های اکسید) فقط در ترکیبات اکسیژن با عناصری وجود دارد که اتمهای آنها به راحتی الکترون اهدا می کنند.
با به اشتراک گذاشتن دو الکترون جفت نشده، یک اتم اکسیژن می تواند دو پیوند کووالانسی ایجاد کند. دو جفت الکترون تنها، به دلیل عدم امکان تحریک، فقط می توانند وارد برهمکنش دهنده-گیرنده شوند. بنابراین، بدون در نظر گرفتن تعدد پیوندها و هیبریداسیون، اتم اکسیژن می تواند در یکی از پنج حالت ظرفیت باشد (جدول 29).
مشخصه ترین اتم اکسیژن حالت ظرفیت با دبلیو k \u003d 2، یعنی تشکیل دو پیوند کووالانسی به دلیل دو الکترون جفت نشده.
الکترونگاتیوی بسیار بالای اتم اکسیژن (فقط فلوئور بالاتر است) منجر به این واقعیت می شود که در اکثر ترکیبات آن، اکسیژن حالت اکسیداسیون -II دارد. موادی وجود دارند که در آنها اکسیژن مقادیر دیگری از حالت اکسیداسیون را نشان می دهد، برخی از آنها در جدول 29 به عنوان مثال آورده شده است و پایداری مقایسه ای در شکل نشان داده شده است. 10.3.

ج) مولکول اکسیژن

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

د) اکسیژن (ماده)

در شرایط عادی، اکسیژن گازی بی رنگ و بی بو است. اکسیژن جامد در دمای 55 کلوین (218- درجه سانتیگراد) ذوب می شود، در حالی که اکسیژن مایع در دمای 90 کلوین (183- درجه سانتیگراد) می جوشد.
پیوندهای بین مولکولی در اکسیژن جامد و مایع تا حدودی قوی تر از هیدروژن هستند، همانطور که با فاصله دمایی بیشتر برای وجود اکسیژن مایع (36 درجه سانتیگراد) و گرمای مولی ذوب (0.446 کیلوژول بر مول) و تبخیر (6.83) مشهود است. kJ/mol).
اکسیژن کمی در آب محلول است: در دمای 0 درجه سانتیگراد، تنها 5 حجم اکسیژن (گاز!) در 100 حجم آب (مایع!) حل می شود.
تمایل زیاد اتم‌های اکسیژن برای اتصال الکترون‌ها و الکترونگاتیوی بالا منجر به این واقعیت می‌شود که اکسیژن فقط خواص اکسید کننده را از خود نشان می‌دهد. این خواص به ویژه زمانی که درجه حرارت بالا.
اکسیژن با بسیاری از فلزات واکنش می دهد: 2Ca + O 2 = 2CaO، 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( تی);
غیر فلزات: C + O 2 \u003d CO 2، P 4 + 5O 2 \u003d P 4 O 10،
و مواد پیچیده: CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O ، 2H 2 S + 3O 2 \u003d 2H 2 O + 2SO 2.

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

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

فرمول ساختاری پراکسید سدیم حاصله (Na) 2 (O-O).
یک ترکش در حال دود قرار داده شده در اکسیژن شعله ور می شود. این یک راه راحت و آسان برای تشخیص اکسیژن خالص است.
در صنعت، اکسیژن از هوا با یکسو کردن (تقطیر پیچیده) و در آزمایشگاه با قرار دادن برخی از ترکیبات حاوی اکسیژن در معرض تجزیه حرارتی به دست می‌آید، به عنوان مثال:
2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 درجه سانتیگراد)؛
2KClO 3 \u003d 2KCl + 3O 2 (150 درجه سانتیگراد ، MnO 2 - کاتالیزور)؛
2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 درجه سانتیگراد)
و علاوه بر این، با تجزیه کاتالیزوری پراکسید هیدروژن در دمای اتاق: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 -کاتالیزور).
از اکسیژن خالص در صنعت برای تشدید فرآیندهایی که در آن اکسیداسیون رخ می دهد و ایجاد شعله با دمای بالا استفاده می شود. در فناوری موشک، از اکسیژن مایع به عنوان یک عامل اکسید کننده استفاده می شود.
اکسیژن نقش مهمی در حفظ حیات گیاهان، حیوانات و انسان دارد. در شرایط عادی، فرد برای تنفس در هوا به اکسیژن کافی نیاز دارد. اما در شرایطی که هوای کافی وجود ندارد یا اصلاً وجود ندارد (در هواپیما، در حین عملیات غواصی، در سفینه های فضایی و غیره) مخلوط های گازیحاوی اکسیژن از اکسیژن در پزشکی برای بیماری هایی که باعث مشکل در تنفس می شوند نیز استفاده می شود.

ه) ازن و مولکول های آن

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

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

3O 2 \u003d 2O 3 ().

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

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

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

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

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

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

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

(H 2 O) = ,

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

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

جدول 30گشتاورهای دوقطبی برخی مولکول های قطبی

مولکول		مولکول		مولکول

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

جدول 31برخی از خصوصیات فیزیکی آب

مقادیر زیاد گرمای مولی ذوب و تبخیر (یک مرتبه بزرگتر از هیدروژن و اکسیژن) نشان می دهد که مولکول های آب، چه در مواد جامد و چه در مواد مایع، کاملاً به یکدیگر پیوند دارند. این اتصالات نامیده می شوند پیوند های هیدروژنی".

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

10.4. پیوند هیدروژنی

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

در آخرین فرمول ساختاری، سه نقطه (سکته چین، نه الکترون!) یک پیوند هیدروژنی را نشان می دهد.

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

در هیدروژن فلوراید مایع، مولکول‌های آن توسط پیوندهای هیدروژنی به زنجیره‌های نسبتاً طولانی متصل می‌شوند، در حالی که در آمونیاک مایع و جامد، شبکه‌های سه‌بعدی تشکیل می‌شوند.
استحکام پیوند هیدروژنی در حد متوسط ​​است پیوند شیمیاییو انواع دیگر پیوندهای بین مولکولی. انرژی مولی پیوند هیدروژنی معمولاً در محدوده 5 تا 50 کیلوژول بر مول قرار دارد.
در آب جامد (یعنی کریستال‌های یخ)، همه اتم‌های هیدروژن به اتم‌های اکسیژن پیوند دارند و هر اتم اکسیژن دو پیوند هیدروژنی را تشکیل می‌دهد (با استفاده از هر دو جفت الکترون). چنین ساختاری یخ را در مقایسه با آب مایع، که در آن برخی از پیوندهای هیدروژنی شکسته می‌شود، شل‌تر می‌کند و مولکول‌ها این فرصت را پیدا می‌کنند که تا حدودی متراکم‌تر «بسته‌بندی» شوند. این ویژگی ساختار یخ توضیح می دهد که چرا، برخلاف اکثر مواد دیگر، آب در حالت جامد چگالی کمتری نسبت به حالت مایع دارد. آب در 4 درجه سانتیگراد به حداکثر چگالی خود می رسد - در این دما پیوندهای هیدروژنی بسیار زیادی شکسته می شود و انبساط حرارتی هنوز تأثیر زیادی بر چگالی ندارد.
پیوندهای هیدروژنی در زندگی ما بسیار مهم هستند. برای لحظه ای تصور کنید که پیوندهای هیدروژنی دیگر تشکیل نشده اند. در اینجا برخی از پیامدها وجود دارد:

• آب در دمای اتاق به صورت گازی در می آید زیرا نقطه جوش آن تا حدود -80 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.
• همه مخازن از پایین شروع به یخ زدن می کنند، زیرا چگالی یخ بیشتر از چگالی آب مایع است.
• مارپیچ دوگانه DNA وجود نخواهد داشت و خیلی بیشتر.

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

پیوند هیدروژنی، شرایط تشکیل آن.
فرمول اتیل الکل CH 3 -CH 2 -O-H است. پیوندهای هیدروژنی بین کدام اتم های مولکول های مختلف این ماده تشکیل می شود؟ فرمول های ساختاری برای نشان دادن شکل گیری آنها بسازید.
2. پیوندهای هیدروژنی نه تنها در مواد منفرد، بلکه در محلول ها نیز وجود دارد. نمایش با فرمول های ساختاریچگونه پیوندهای هیدروژنی در محلول آبی الف) آمونیاک، ب) هیدروژن فلوراید، ج) اتانول (اتیل الکل) تشکیل می شود. \u003d 2H 2 O.
هر دوی این واکنش ها در آب به طور مداوم و با سرعت یکسان انجام می شود، بنابراین، تعادل در آب وجود دارد: 2H 2 O AN 3 O + OH.
این تعادل نامیده می شود تعادل اتوپروتولیزاب.

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

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

AUTOPROTOLYSIS OF WATER, AUTOPROTOLYSIS CONSTANT (محصول یونی) OF WATER.
محصول یونی آمونیاک مایع (نقطه جوش 33- درجه سانتیگراد) 210-28 است. معادله ای برای اتوپروتولیز آمونیاک بنویسید. غلظت یون های آمونیوم را در آمونیاک مایع خالص تعیین کنید. رسانایی الکتریکی کدام یک از مواد بیشتر است، آب یا آمونیاک مایع؟

1. بدست آوردن هیدروژن و احتراق آن (خاصیت کاهنده).
2. بدست آوردن اکسیژن و احتراق مواد موجود در آن (خواص اکسید کننده).

اکسیژنیکی از فراوان ترین عناصر روی زمین است. حدود نیمی از وزن پوسته زمین، پوسته بیرونی سیاره را تشکیل می دهد. در ترکیب با هیدروژن، آب را تشکیل می دهد که بیش از دو سوم سطح زمین را می پوشاند.

ما نه می توانیم اکسیژن را ببینیم و نه می توانیم آن را بچشیم یا بو کنیم. با این حال، یک پنجم هوا را تشکیل می دهد و حیاتی است. برای زندگی، ما نیز مانند حیوانات و گیاهان نیاز به نفس کشیدن داریم.

اکسیژن یک شرکت کننده ضروری در واکنش های شیمیایی است که در داخل هر سلول میکروسکوپی یک موجود زنده رخ می دهد و در نتیجه آن مواد مغذیو انرژی مورد نیاز برای زندگی آزاد می شود. به همین دلیل است که اکسیژن برای هر موجود زنده ای (به استثنای چند نوع میکروب) بسیار ضروری است.

هنگام سوختن، مواد با اکسیژن ترکیب می شوند و انرژی را به شکل گرما و نور آزاد می کنند.

هیدروژن

رایج ترین عنصر در جهان هستی است هیدروژن. این بخش عمده ستاره ها را تشکیل می دهد. روی زمین، بیشتر هیدروژن (نماد شیمیایی H) به اکسیژن (O) متصل می شود و آب (H20) را تشکیل می دهد. هیدروژن ساده ترین و ساده ترین است شیمیایی سبکعنصر، زیرا هر اتم آن فقط از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است.

در آغاز قرن بیستم، کشتی‌های هوایی و هواپیماهای بزرگ با هیدروژن پر شدند. با این حال، هیدروژن بسیار قابل اشتعال است. پس از چندین فاجعه ناشی از آتش سوزی، هیدروژن دیگر در کشتی های هوایی استفاده نمی شد. امروزه از گاز سبک دیگری در هوانوردی استفاده می شود - هلیوم غیر قابل اشتعال.

هیدروژن با کربن ترکیب می شود و موادی به نام هیدروکربن تشکیل می دهد. این محصولات شامل محصولات مشتق شده از گاز طبیعی و نفت خام مانند پروپان و بوتان گازی یا بنزین مایع می شود. هیدروژن همچنین با کربن و اکسیژن ترکیب می شود و کربوهیدرات ها را تشکیل می دهد. نشاسته موجود در سیب زمینی و برنج و قند موجود در چغندر کربوهیدرات هستند.

خورشید و سایر ستارگان بیشتر از هیدروژن تشکیل شده اند. در مرکز ستاره، دماها و فشارهای هیولایی اتم های هیدروژن را مجبور می کند تا با یکدیگر ادغام شوند و به گاز دیگری - هلیوم تبدیل شوند. این مقدار زیادی انرژی به صورت گرما و نور آزاد می کند.

• تعیین - H (هیدروژن)؛
• نام لاتین - Hydrogenium;
• دوره - I;
• گروه - 1 (Ia);
• جرم اتمی - 1.00794;
• عدد اتمی - 1؛
• شعاع اتم = 53 pm;
• شعاع کووالانسی = 32 pm;
• توزیع الکترون ها - 1s 1;
• نقطه ذوب = -259.14 درجه سانتیگراد؛
• نقطه جوش = -252.87 درجه سانتیگراد؛
• الکترونگاتیوی (طبق گفته پاولینگ / به گفته آلپرد و روچوف) \u003d 2.02 / -؛
• حالت اکسیداسیون: +1; 0; -1؛
• چگالی (n.a.) \u003d 0.0000899 گرم در سانتی متر 3؛
• حجم مولی = 14.1 سانتی متر 3 / مول.

ترکیبات دوتایی هیدروژن با اکسیژن:

هیدروژن ("زایش آب") توسط دانشمند انگلیسی G. Cavendish در سال 1766 کشف شد. این ساده ترین عنصر در طبیعت است - اتم هیدروژن دارای یک هسته و یک الکترون است، احتمالاً به همین دلیل هیدروژن رایج ترین عنصر در جهان است (بیش از نیمی از جرم بیشتر ستارگان).

در مورد هیدروژن، می توان گفت که "قرقره کوچک است، اما گران است." با وجود "سادگی" آن، هیدروژن به تمام موجودات زنده روی زمین انرژی می دهد - یک واکنش گرما هسته ای پیوسته در خورشید اتفاق می افتد که در طی آن یک اتم هلیوم از چهار اتم هیدروژن تشکیل می شود، این فرآیند با آزاد شدن مقدار زیادی از اتم ها همراه است. انرژی (برای جزئیات بیشتر، همجوشی هسته ای را ببینید).

در پوسته زمین، کسر جرمی هیدروژن تنها 0.15٪ است. در همین حال، اکثریت قریب به اتفاق (95٪) از همه در زمین شناخته شده است مواد شیمیاییحاوی یک یا چند اتم هیدروژن است.

در ترکیبات با غیر فلزات (HCl، H 2 O، CH 4 ...)، هیدروژن تنها الکترون خود را به عناصر الکترونگاتیو بیشتری می دهد و حالت اکسیداسیون 1+ را نشان می دهد (اغلب) و فقط پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهد (به کووالانس مراجعه کنید). رابطه، رشته).

در ترکیبات با فلزات (NaH، CaH 2 ...)، هیدروژن، برعکس، تنها مدار s خود را یک الکترون بیشتر می گیرد، بنابراین سعی می کند لایه الکترونی خود را کامل کند و حالت اکسیداسیون -1 را نشان می دهد (کمتر) ، اغلب یک پیوند یونی تشکیل می دهد (به پیوند یونی مراجعه کنید)، زیرا تفاوت در الکترونگاتیوی یک اتم هیدروژن و یک اتم فلز می تواند بسیار زیاد باشد.

H2

در حالت گازی، هیدروژن به شکل مولکول های دو اتمی است که یک پیوند کووالانسی غیر قطبی ایجاد می کند.

مولکول های هیدروژن:

• تحرک زیاد؛
• قدرت زیاد؛
• قطبش پذیری کم؛
• اندازه و وزن کوچک

خواص گاز هیدروژن:

• سبک ترین گاز در طبیعت، بی رنگ و بی بو؛
• کم محلول در آب و حلال های آلی؛
• در مقادیر کم در فلزات مایع و جامد (به ویژه در پلاتین و پالادیوم) حل می شود.
• مایع شدن دشوار است (به دلیل قطبش پذیری کم)؛
• دارای بالاترین رسانایی حرارتی در بین تمام گازهای شناخته شده است.
• هنگامی که گرم می شود، با بسیاری از غیر فلزات واکنش می دهد و خواص یک عامل کاهنده را نشان می دهد.
• در دمای اتاق با فلوئور واکنش می دهد (انفجار رخ می دهد): H 2 + F 2 = 2HF.
• با فلزات واکنش می دهد و هیدریدها را تشکیل می دهد و خواص اکسید کننده را نشان می دهد: H 2 + Ca = CaH 2.

در ترکیبات، هیدروژن خواص کاهشی خود را بسیار قوی تر از اکسید کننده نشان می دهد. هیدروژن پس از زغال سنگ، آلومینیوم و کلسیم قوی ترین عامل کاهنده است. خواص کاهنده هیدروژن به طور گسترده در صنعت برای به دست آوردن فلزات و غیر فلزات استفاده می شود. مواد ساده) از اکسیدها و گالیدها.

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

واکنش هیدروژن با مواد ساده

هیدروژن یک الکترون را می پذیرد و نقش را ایفا می کند عامل کاهنده، در واکنش ها:

• با اکسیژن(هنگام مشتعل یا در حضور کاتالیزور)، در نسبت 2: 1 (هیدروژن: اکسیژن) یک گاز انفجاری انفجاری تشکیل می شود: 2H 2 0 + O 2 \u003d 2H 2 + 1 O + 572 kJ
• با خاکستری(در دمای 150 تا 300 درجه سانتیگراد): H 2 0 +S ↔ H 2 + 1 S
• با کلر(هنگامی که مشتعل یا تحت تابش اشعه ماوراء بنفش است): H 2 0 + Cl 2 \u003d 2H + 1 Cl
• با فلوئور: H 2 0 + F 2 \u003d 2H +1 F
• با نیتروژن(هنگامی که در حضور کاتالیزور یا در فشار بالا گرم می شود): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

هیدروژن یک الکترون اهدا می کند و این نقش را ایفا می کند عامل اکسید کننده، در واکنش های با قلیاییو خاک قلیاییفلزات برای تشکیل هیدریدهای فلزی - ترکیبات یونی نمک مانند حاوی یون های هیدرید H - مواد کریستالی ناپایدار به رنگ سفید هستند.

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

غیر معمول است که هیدروژن حالت اکسیداسیون 1- را نشان دهد. در واکنش با آب، هیدریدها تجزیه می شوند و آب را به هیدروژن تبدیل می کنند. واکنش هیدرید کلسیم با آب به شرح زیر است:

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

واکنش هیدروژن با مواد پیچیده

• در دمای بالا، هیدروژن بسیاری از اکسیدهای فلزی را کاهش می دهد: ZnO + H 2 \u003d Zn + H 2 O
• متیل الکل در نتیجه واکنش هیدروژن با مونوکسید کربن (II) به دست می آید: 2H 2 + CO → CH 3 OH
• در واکنش های هیدروژناسیون، هیدروژن با بسیاری از مواد آلی واکنش می دهد.

با جزئیات بیشتر معادلات واکنش های شیمیایی هیدروژن و ترکیبات آن در صفحه «هیدروژن و ترکیبات آن - معادلات واکنش های شیمیایی شامل هیدروژن» در نظر گرفته شده است.

کاربرد هیدروژن

• در انرژی هسته ای از ایزوتوپ های هیدروژن استفاده می شود - دوتریوم و تریتیوم.
• در صنایع شیمیایی، هیدروژن برای سنتز بسیاری از مواد آلی، آمونیاک و کلرید هیدروژن استفاده می شود.
• V صنایع غذاییهیدروژن در تولید چربی های جامد از طریق هیدروژناسیون استفاده می شود روغن های گیاهی;
• برای جوشکاری و برش فلزات، از دمای احتراق بالای هیدروژن در اکسیژن (2600 درجه سانتیگراد) استفاده می شود.
• در تولید برخی از فلزات، هیدروژن به عنوان یک عامل کاهنده استفاده می شود (به بالا مراجعه کنید).
• از آنجایی که هیدروژن یک گاز سبک است، در هوانوردی به عنوان پرکننده استفاده می شود بالن هابالون، کشتی هوایی;
• به عنوان سوخت، هیدروژن مخلوط با CO استفاده می شود.

اخیراً دانشمندان توجه زیادی به جستجوی منابع جایگزین انرژی های تجدیدپذیر کرده اند. یکی از زمینه های امیدوارکننده، انرژی «هیدروژن» است که در آن از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می شود که محصول احتراق آن آب معمولی است.

روشهای تولید هیدروژن

روش های صنعتی تولید هیدروژن:

• تبدیل متان (کاهش کاتالیستی بخار آب) با بخار آب در دمای بالا (800 درجه سانتیگراد) روی کاتالیزور نیکل: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 .
• تبدیل مونوکسید کربن با بخار (t = 500 درجه سانتیگراد) در کاتالیزور Fe 2 O 3 : CO + H 2 O = CO 2 + H 2 .
• تجزیه حرارتی متان: CH 4 \u003d C + 2H 2؛
• تبدیل به گاز سوخت های جامد(t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• الکترولیز آب (روشی بسیار گران قیمت که در آن هیدروژن بسیار خالص به دست می آید): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

روش های آزمایشگاهی تولید هیدروژن:

• اثر روی فلزات (معمولا روی) با اسید سولفوریک هیدروکلریک یا رقیق: Zn + 2HCl \u003d ZCl 2 + H 2؛ Zn + H 2 SO 4 \u003d ZnSO 4 + H 2;
• برهمکنش بخار آب با براده های آهن داغ: 4H 2 O + 3Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2.

خواص شیمیایی هیدروژن

در شرایط عادی، هیدروژن مولکولی نسبتاً غیرفعال است و مستقیماً تنها با فعال ترین نافلزات (با فلوئور و در نور نیز با کلر) ترکیب می شود. با این حال، هنگامی که گرم می شود، با بسیاری از عناصر واکنش نشان می دهد.

هیدروژن با مواد ساده و پیچیده واکنش می دهد:

- برهمکنش هیدروژن با فلزات منجر به تشکیل مواد پیچیده - هیدریدها می شود که در فرمول های شیمیایی آنها اتم فلز همیشه اول است:

در دمای بالا، هیدروژن به طور مستقیم واکنش نشان می دهد با برخی فلزات(قلیایی، قلیایی خاکی و دیگران)، تشکیل مواد کریستالی سفید - هیدریدهای فلزی (Li H، Na H، KH، CaH 2، و غیره):

H 2 + 2Li = 2LiH

هیدریدهای فلزی با تشکیل قلیایی و هیدروژن مربوطه به راحتی توسط آب تجزیه می شوند:

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

- هنگامی که هیدروژن با غیر فلزات برهمکنش می کند ترکیبات هیدروژنی فرار تشکیل می شود. که در فرمول شیمیاییترکیب هیدروژن فرار، بسته به محل PSCE، اتم هیدروژن می تواند در وهله اول یا دوم قرار گیرد (به صفحه اسلاید مراجعه کنید):

1). با اکسیژنهیدروژن آب را تشکیل می دهد:

ویدئو "احتراق هیدروژن"

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

در دماهای معمولی، واکنش بسیار آهسته، بالای 550 درجه سانتیگراد - با یک انفجار ادامه می یابد (مخلوطی از 2 حجم H 2 و 1 حجم O 2 نامیده می شود گاز انفجاری) .

ویدئو "انفجار گاز انفجاری"

ویدئو "تهیه و انفجار مخلوط مواد منفجره"

2). با هالوژنهیدروژن هالیدهای هیدروژن را تشکیل می دهد، به عنوان مثال:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl

هیدروژن با فلوئور منفجر می شود (حتی در تاریکی و در دمای 252- درجه سانتیگراد)، با کلر و برم فقط در صورت روشن شدن یا گرم شدن و با ید فقط هنگامی که گرم می شود واکنش می دهد.

3). با نیتروژنهیدروژن با تشکیل آمونیاک واکنش نشان می دهد:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

فقط روی یک کاتالیزور و در دماها و فشارهای بالا.

4). هنگامی که گرم می شود، هیدروژن به شدت واکنش می دهد با گوگرد:

H 2 + S \u003d H 2 S (سولفید هیدروژن)،

با سلنیوم و تلوریوم بسیار دشوارتر است.

5). با کربن خالصهیدروژن فقط در دماهای بالا می تواند بدون کاتالیزور واکنش نشان دهد:

2H 2 + C (آمورف) = CH4 (متان)

- هیدروژن با اکسیدهای فلزی وارد واکنش جانشینی می شود ، در حالی که آب در محصولات تشکیل شده و فلز کاهش می یابد. هیدروژن - خواص یک عامل کاهنده را نشان می دهد:

هیدروژن استفاده می شود برای بازیافت بسیاری از فلزاتاز آنجایی که اکسیژن را از اکسیدهای آنها می گیرد:

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O و غیره

کاربرد هیدروژن

ویدئو "استفاده از هیدروژن"

در حال حاضر، هیدروژن در مقادیر زیادی تولید می شود. بخش بسیار زیادی از آن در سنتز آمونیاک، هیدروژنه کردن چربی ها و هیدروژنه کردن زغال سنگ، روغن ها و هیدروکربن ها استفاده می شود. علاوه بر این، هیدروژن برای سنتز اسید هیدروکلریک، متیل الکل، اسید هیدروسیانیک، در جوشکاری و آهنگری فلزات و همچنین در ساخت لامپ های رشته ای و سنگ های قیمتی. هیدروژن در سیلندرهای تحت فشار بیش از 150 اتمسفر به فروش می رسد. آنها به رنگ سبز تیره و با کتیبه قرمز "هیدروژن" عرضه می شوند.

هیدروژن برای تبدیل چربی های مایع به چربی جامد (هیدروژناسیون)، برای تولید سوخت مایع با هیدروژنه کردن زغال سنگ و نفت کوره استفاده می شود. در متالورژی، هیدروژن به عنوان یک عامل کاهنده اکسیدها یا کلریدها برای تولید فلزات و غیر فلزات (ژرمانیوم، سیلیکون، گالیم، زیرکونیوم، هافنیوم، مولیبدن، تنگستن و غیره) استفاده می شود.

کاربرد عملی هیدروژن متنوع است: معمولاً با بالن پر می شود، در صنایع شیمیایی به عنوان ماده خام برای تولید بسیاری از محصولات بسیار مهم (آمونیاک و غیره)، در صنایع غذایی - برای تولید جامد عمل می کند. چربی های روغن های گیاهی و غیره. دمای بالا (تا 2600 درجه سانتی گراد) که از سوختن هیدروژن در اکسیژن به دست می آید، برای ذوب فلزات نسوز، کوارتز و غیره استفاده می شود. هیدروژن مایع یکی از کارآمدترین سوخت های جت است. مصرف جهانی هیدروژن سالانه بیش از 1 میلیون تن است.

شبیه سازها

شماره 2. هیدروژن

وظایف برای تقویت

کار شماره 1
معادلات واکنش های برهمکنش هیدروژن با مواد زیر را بسازید: F 2 ، Ca ، Al 2 O 3 ، اکسید جیوه (II) ، اکسید تنگستن (VI). محصولات واکنش را نام ببرید، انواع واکنش ها را مشخص کنید.

کار شماره 2
تغییرات را طبق طرح انجام دهید:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

کار شماره 3.
جرم آبی که با سوزاندن 8 گرم هیدروژن بدست می آید را محاسبه کنید؟

اکسیژن فراوان ترین عنصر روی زمین است. همراه با نیتروژن و مقدار کمی از گازهای دیگر، اکسیژن آزاد جو زمین را تشکیل می دهد. محتوای آن در هوا 20.95 درصد حجمی یا 23.15 درصد جرمی است. در پوسته زمین، 58 درصد اتم ها اتم های اکسیژن محدود (47 درصد جرم) هستند. اکسیژن بخشی از آب است (ذخایر اکسیژن محدود شده در هیدروسفر بسیار زیاد است)، سنگ ها، بسیاری از مواد معدنی و نمک ها، و در چربی ها، پروتئین ها و کربوهیدرات هایی که موجودات زنده را تشکیل می دهند، یافت می شود. تقریباً تمام اکسیژن آزاد روی زمین در نتیجه فرآیند فتوسنتز ایجاد و ذخیره می شود.

مشخصات فیزیکی.

اکسیژن گازی بی رنگ، بی مزه و بی بو است که کمی سنگین تر از هوا است. کمی در آب حل می شود (31 میلی لیتر اکسیژن در 1 لیتر آب در دمای 20 درجه حل می شود)، اما همچنان بهتر از سایر گازهای جوی است، بنابراین آب با اکسیژن غنی می شود. چگالی اکسیژن در شرایط عادی 1.429 گرم در لیتر است. در دمای 0-183 درجه سانتیگراد و فشار 101.325 کیلو پاسکال، اکسیژن به حالت مایع تبدیل می شود. اکسیژن مایع دارای رنگ مایل به آبی است، به میدان مغناطیسی کشیده می شود و در دمای 218.7- درجه سانتیگراد، بلورهای آبی را تشکیل می دهد.

اکسیژن طبیعی دارای سه ایزوتوپ O 16، O 17، O 18 است.

آلوتروپی- توانایی عنصر شیمیاییبه شکل دو یا چند ماده ساده وجود دارد که فقط از نظر تعداد اتم های مولکول یا ساختار متفاوت هستند.

ازن O 3 - وجود دارد در لایه های بالاییجو در ارتفاع 20-25 کیلومتری از سطح زمین و به اصطلاح "لایه اوزون" را تشکیل می دهد که از زمین در برابر مخرب محافظت می کند. اشعه ماوراء بنفشآفتاب؛ بنفش کم رنگ، گاز سمی در مقادیر زیاد با بوی خاص، تند، اما مطبوع. نقطه ذوب -192.7 0 C، نقطه جوش -111.9 0 C. بهتر از اکسیژن در آب حل می شود.

ازن یک عامل اکسید کننده قوی است. فعالیت اکسید کننده آن بر اساس توانایی مولکول برای تجزیه با آزاد شدن اکسیژن اتمی است:

بسیاری از مواد ساده و پیچیده را اکسید می کند. با برخی فلزات، به عنوان مثال، ازونید پتاسیم، ازونیدها را تشکیل می دهد:

K + O 3 \u003d KO 3

ازن به دست می آید از دستگاه های خاص- ازناتورها در آنها، تحت عمل یک تخلیه الکتریکی، اکسیژن مولکولی به ازن تبدیل می شود:

واکنش مشابهی در اثر تخلیه رعد و برق رخ می دهد.

استفاده از ازن به دلیل خاصیت اکسید کننده قوی آن است: برای سفید کردن پارچه ها، ضد عفونی کردن استفاده می شود. آب آشامیدنی، در پزشکی به عنوان یک ضد عفونی کننده.

استنشاق اوزون در مقادیر زیاد مضر است: غشاهای مخاطی چشم و اندام های تنفسی را تحریک می کند.

خواص شیمیایی.

که در واکنش های شیمیاییبا اتم های سایر عناصر (به جز فلوئور)، اکسیژن منحصراً خاصیت اکسید کننده از خود نشان می دهد.

مهم ترین خاصیت شیمیایی- توانایی تشکیل اکسید تقریباً با تمام عناصر. در عین حال، اکسیژن مستقیماً با بیشتر مواد واکنش می دهد، به ویژه هنگامی که گرم می شود.

در نتیجه این واکنش ها، به عنوان یک قاعده، اکسیدها تشکیل می شوند، اغلب پراکسیدها:

2Ca + O 2 \u003d 2CaO

2Ва + О 2 = 2ВаО

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2

اکسیژن به طور مستقیم با هالوژن ها، طلا، پلاتین تعامل ندارد، اکسیدهای آنها به طور غیر مستقیم به دست می آید. هنگام گرم شدن، گوگرد، کربن، فسفر در اکسیژن می سوزند.

تعامل اکسیژن با نیتروژن فقط در دمای 1200 درجه سانتیگراد یا در یک تخلیه الکتریکی آغاز می شود:

N 2 + O 2 \u003d 2NO

اکسیژن با هیدروژن ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد:

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

در طی این واکنش مقدار قابل توجهی گرما آزاد می شود.

مخلوطی از دو حجم هیدروژن با یک اکسیژن هنگام مشتعل شدن منفجر می شود. به آن گاز انفجاری می گویند.

بسیاری از فلزات در تماس با اکسیژن اتمسفر دچار تخریب - خوردگی می شوند. برخی از فلزات در شرایط عادی فقط از سطح اکسید می شوند (به عنوان مثال، آلومینیوم، کروم). فیلم اکسید حاصل از تعامل بیشتر جلوگیری می کند.

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

مواد پیچیده تحت شرایط خاص نیز با اکسیژن برهمکنش دارند. در این حالت اکسیدها و در برخی موارد اکسیدها و مواد ساده تشکیل می شوند.

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

هنگام تعامل با مواد پیچیده، اکسیژن به عنوان یک عامل اکسید کننده عمل می کند. خاصیت مهم آن بر اساس فعالیت اکسیداتیو اکسیژن است - توانایی حفظ احتراقمواد

با هیدروژن، اکسیژن همچنین یک ترکیب - پراکسید هیدروژن H 2 O 2 - یک مایع شفاف بی رنگ با سوختن تشکیل می دهد. طعم گس، بسیار محلول در آب است. از نظر شیمیایی، پراکسید هیدروژن یک ترکیب بسیار جالب است. پایداری کم آن مشخص است: هنگام ایستادن، به آرامی به آب و اکسیژن تجزیه می شود:

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

نور، گرما، وجود قلیاها، تماس با عوامل اکسید کننده یا کاهنده فرآیند تجزیه را تسریع می کند. درجه اکسیداسیون اکسیژن در پراکسید هیدروژن = - 1، یعنی. دارای یک مقدار متوسط ​​بین حالت اکسیداسیون اکسیژن در آب (2-) و در اکسیژن مولکولی (0) است، بنابراین پراکسید هیدروژن دوگانگی ردوکس را نشان می دهد. خواص اکسید کننده پراکسید هیدروژن بسیار بیشتر از خواص احیا کننده است و در محیط های اسیدی، قلیایی و خنثی ظاهر می شود.

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