الهيدروجين مادة معقدة. الهيدروجين في الطبيعة (0.9٪ في القشرة الأرضية)

هيدروجين(lat. Hydrogenium) ، H ، عنصر كيميائي ، الأول برقم تسلسلي في نظام مندليف الدوري ؛ الكتلة الذرية 1.0079. في الظروف العادية ، الهيدروجين غاز. ليس له لون ولا رائحة ولا طعم.

توزيع الهيدروجين في الطبيعة. يتوزع الهيدروجين على نطاق واسع في الطبيعة ، ومحتواه في القشرة الأرضية (الغلاف الصخري والغلاف المائي) هو 1٪ بالكتلة ، و 16٪ بعدد الذرات. الهيدروجين هو جزء من المادة الأكثر شيوعًا على الأرض - الماء (11.19٪ هيدروجين بالكتلة) ، في المركبات التي تتكون منها الفحم والنفط والغازات الطبيعية والطين ، وكذلك الكائنات الحية الحيوانية والنباتية (أي في تكوين البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات وغيرها). الهيدروجين نادر للغاية في الحالة الحرة ؛ يوجد بكميات صغيرة في الغازات البركانية وغيرها من الغازات الطبيعية. توجد كميات ضئيلة من الهيدروجين الحر (0.0001٪ بعدد الذرات) في الغلاف الجوي. في الفضاء القريب من الأرض ، يشكل الهيدروجين على شكل تيار من البروتونات حزام الإشعاع الداخلي ("البروتون") للأرض. الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الفضاء. في شكل بلازما ، تشكل حوالي نصف كتلة الشمس ومعظم النجوم ، وهي الجزء الأكبر من غازات الوسط النجمي والسدم الغازية. يوجد الهيدروجين في الغلاف الجوي لعدد من الكواكب وفي المذنبات على شكل H 2 ، ميثان CH 4 ، أمونيا NH 3 ، ماء H 2 O ، جذور مثل CH ، NH ، OH ، SiH ، PH ، إلخ. يدخل الهيدروجين في شكل تدفق بروتون في الإشعاع الجسدي للشمس والأشعة الكونية.

نظائر وذرة وجزيء الهيدروجين. يتكون الهيدروجين العادي من مزيج من نظيرين مستقرين: هيدروجين خفيف ، أو بروتيوم (1 H) ، وهيدروجين ثقيل ، أو ديوتيريوم (2 H ، أو D). في مركبات الهيدروجين الطبيعية ، يوجد في المتوسط ​​6800 ذرة من 1 ساعة لكل 1 ذرة من 2 H. ويسمى النظير المشع مع عدد كتلي 3 الهيدروجين فائق الثقل ، أو التريتيوم (3 H ، أو T) ، مع إشعاع ناعم ونصف العمر T = 12.262 سنة. في الطبيعة ، يتكون التريتيوم ، على سبيل المثال ، من النيتروجين الجوي تحت تأثير نيوترونات الأشعة الكونية ؛ لا يكاد يذكر في الغلاف الجوي (4 · 10 -15٪ من إجمالي عدد ذرات الهيدروجين). تم الحصول على نظير غير مستقر للغاية 4 H. تشير أعداد كتلة النظائر 1 H ​​و 2 H و 3 H و 4 H على التوالي 1 و 2 و 3 و 4 إلى أن نواة ذرة البروتيوم تحتوي على بروتون واحد فقط ، وهو الديوتيريوم - بروتون واحد ونيوترون واحد ، التريتيوم - بروتون واحد و 2 نيوترون ، 4 H - بروتون واحد و 3 نيوترونات. يتسبب الاختلاف الكبير في كتل نظائر الهيدروجين في اختلاف ملحوظ في خواصها الفيزيائية والكيميائية مقارنة بنظائر العناصر الأخرى.

تمتلك ذرة الهيدروجين أبسط بنية بين ذرات جميع العناصر الأخرى: فهي تتكون من نواة وإلكترون واحد. طاقة ارتباط الإلكترون بنواة (جهد التأين) هي 13.595 فولت. ذرة محايدة يمكن للهيدروجين أيضًا أن يربط إلكترونًا ثانيًا ، مكونًا أيونًا سالبًا H - في هذه الحالة ، تكون طاقة الارتباط للإلكترون الثاني مع ذرة محايدة (تقارب الإلكترون) هي 0.78 فولت. تجعل ميكانيكا الكم من الممكن حساب جميع مستويات الطاقة الممكنة لذرة الهيدروجين ، وبالتالي ، لإعطاء تفسير كامل للطيف الذري. تُستخدم ذرة الهيدروجين كنموذج ذرة في حسابات ميكانيكا الكم لمستويات الطاقة لذرات أخرى أكثر تعقيدًا.

يتكون جزيء الهيدروجين H 2 من ذرتين متصلتين بواسطة رابطة كيميائية تساهمية. تبلغ طاقة التفكك (أي التحلل إلى الذرات) 4.776 فولت. المسافة بين الذرات في موضع توازن النوى هي 0.7414Å. في درجات الحرارة المرتفعة ، يتفكك الهيدروجين الجزيئي إلى ذرات (درجة التفكك عند 2000 درجة مئوية هي 0.0013 ؛ عند 5000 درجة مئوية تكون 0.95). يتكون الهيدروجين الذري أيضًا في تفاعلات كيميائية مختلفة (على سبيل المثال ، بفعل الزنك على حمض الهيدروكلوريك). ومع ذلك ، فإن وجود الهيدروجين في الحالة الذرية يستمر لفترة قصيرة فقط ، حيث تتحد الذرات في جزيئات H 2.

الخصائص الفيزيائية للهيدروجين. الهيدروجين هو الأخف وزنا من بين جميع المواد المعروفة (14.4 مرة أخف من الهواء) ، وكثافة 0.0899 جم / لتر عند 0 درجة مئوية و 1 ضغط جوي. يغلي الهيدروجين (يسيل) ويذوب (يصلب) عند -252.8 درجة مئوية و -259.1 درجة مئوية ، على التوالي (فقط الهيليوم لديه نقاط انصهار وغليان أقل). درجة الحرارة الحرجة للهيدروجين منخفضة للغاية (-240 درجة مئوية) ، لذلك يرتبط تسييله بصعوبات كبيرة ؛ الضغط الحرج 12.8 كجم / سم 2 (12.8 ضغط جوي) ، الكثافة الحرجة 0.0312 جم / سم 3. الهيدروجين لديه أعلى موصلية حرارية لجميع الغازات ، يساوي 0.174 واط / (م · كلفن) عند 0 درجة مئوية و 1 ضغط جوي ، أي 4.16 · 10 -4 كالوري / (ثانية · سم · درجة مئوية). السعة الحرارية المحددة للهيدروجين عند 0 درجة مئوية و 1 ضغط جوي هي 14.208 كيلو جول / (كجم · ك) ، أي 3.394 كالوري / (جم · درجة مئوية). الهيدروجين قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء (0.0182 مل / جم عند 20 درجة مئوية و 1 ضغط جوي) ، ولكنه جيد - في العديد من المعادن (Ni ، Pt ، Pa وغيرها) ، خاصة في البلاديوم (850 مجلداً لكل 1 حجم Pd). ترتبط قابلية ذوبان الهيدروجين في المعادن بقدرته على الانتشار من خلالها ؛ أحيانًا يكون الانتشار من خلال سبيكة كربون (على سبيل المثال ، الفولاذ) مصحوبًا بتدمير السبيكة بسبب تفاعل الهيدروجين مع الكربون (ما يسمى إزالة الكربون). الهيدروجين السائل خفيف جدًا (كثافة عند -253 درجة مئوية 0.0708 جم / سم 3) وسائل (لزوجة عند -253 درجة مئوية 13.8 درجة مئوية).

الخواص الكيميائية للهيدروجين. في معظم المركبات ، يُظهر الهيدروجين تكافؤًا (بتعبير أدق ، حالة أكسدة) +1 ، مثل الصوديوم والمعادن القلوية الأخرى ؛ عادة ما يتم اعتباره نظيرًا لهذه المعادن ، تحت عنوان المجموعة الأولى من نظام Mendeleev. ومع ذلك ، في هيدرات المعادن ، يكون أيون الهيدروجين سالبًا (حالة الأكسدة -1) ، أي أن Na + H - هيدريد مبني مثل Na + Cl - كلوريد. هذه وبعض الحقائق الأخرى (تقارب الخصائص الفيزيائية للهالوجين والهالوجينات ، وقدرة الهالوجينات على استبدال الهيدروجين في المركبات العضوية) تعطي أسبابًا لتضمين الهيدروجين أيضًا في المجموعة السابعة من النظام الدوري. 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 تسخينها ، فإنها تتفاعل مع العديد من العناصر. يحتوي الهيدروجين الذري على نشاط كيميائي متزايد مقارنة بالهيدروجين الجزيئي. يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء:

H 2 + 1/2 O 2 \ u003d H 2 O

مع إطلاق 285.937 كيلو جول / مول ، أي 68.3174 كيلو كالوري / مول من الحرارة (عند 25 درجة مئوية و 1 ضغط جوي). في درجات الحرارة العادية ، يستمر التفاعل ببطء شديد ، فوق 550 درجة مئوية - مع حدوث انفجار. حدود الانفجار لخليط الهيدروجين والأكسجين هي (بالحجم) من 4 إلى 94٪ H 2 ، وخليط الهيدروجين والهواء - من 4 إلى 74٪ H 2 (خليط من مجلدين من H 2 وحجم 1 من O 2 يسمى الغاز المتفجر). يستخدم الهيدروجين لتقليل العديد من المعادن ، حيث يزيل الأكسجين من أكاسيدها:

CuO + H 2 \ u003d Cu + H 2 O ،

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

مع الهالوجينات يتكون 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. يتفاعل الهيدروجين مع النيتروجين لتكوين الأمونيا:

ZN 2 + N 2 \ u003d 2NH 3

فقط على محفز وفي درجات حرارة وضغوط مرتفعة. عند تسخينه ، يتفاعل الهيدروجين بقوة مع الكبريت:

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

أكثر صعوبة مع السيلينيوم والتيلوريوم. يمكن للهيدروجين أن يتفاعل مع الكربون النقي بدون محفز إلا في درجات حرارة عالية:

2H 2 + C (غير متبلور) = CH 4 (ميثان).

يتفاعل الهيدروجين بشكل مباشر مع بعض المعادن (القلوية والأرض القلوية وغيرها) ، مكونًا الهيدريدات:

H 2 + 2Li = 2LiH.

تعتبر تفاعلات الهيدروجين مع أول أكسيد الكربون (II) ذات أهمية عملية كبيرة ، حيث يتم تكوين مركبات عضوية مختلفة ، اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط والمحفز ، مثل HCHO و CH 3 OH وغيرها. تتفاعل الهيدروكربونات غير المشبعة مع الهيدروجين لتصبح مشبعة ، على سبيل المثال:

C n H 2n + H 2 \ u003d C n H 2n + 2.

دور الهيدروجين ومركباته في الكيمياء عظيم بشكل استثنائي. يحدد الهيدروجين الخصائص الحمضية لما يسمى بالأحماض البروتينية. يميل الهيدروجين إلى تكوين ما يسمى برابطة الهيدروجين مع عناصر معينة ، والتي لها تأثير حاسم على خصائص العديد من المركبات العضوية وغير العضوية.

الحصول على الهيدروجين. الأنواع الرئيسية للمواد الخام للإنتاج الصناعي للهيدروجين هي الغازات الطبيعية القابلة للاحتراق وغاز أفران الكوك وغازات تكرير النفط. يتم الحصول على الهيدروجين أيضًا من الماء عن طريق التحليل الكهربائي (في الأماكن ذات الكهرباء الرخيصة). أهم طرق إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي هي التفاعل التحفيزي للهيدروكربونات ، خاصة الميثان ، مع بخار الماء (التحويل):

CH 4 + H 2 O \ u003d CO + ZH 2 ،

والأكسدة غير الكاملة للهيدروكربونات بالأكسجين:

CH 4 + 1/2 O 2 \ u003d CO + 2H 2

يخضع أول أكسيد الكربون الناتج (II) أيضًا للتحويل:

CO + H 2 O \ u003d CO 2 + H 2.

الهيدروجين المنتج من الغاز الطبيعي هو الأرخص.

يتم عزل الهيدروجين من غازات أفران الكوك وغازات التكرير عن طريق إزالة المكونات المتبقية من خليط الغاز ، والتي يسهل تسييلها أكثر من الهيدروجين ، عند التبريد العميق. يتم إجراء التحليل الكهربائي للماء بالتيار المباشر ، ويمرره عبر محلول من KOH أو NaOH (لا تستخدم الأحماض لتجنب تآكل المعدات الفولاذية). يتم إنتاج الهيدروجين في المعامل عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، وكذلك عن طريق التفاعل بين الزنك وحمض الهيدروكلوريك. ومع ذلك ، في كثير من الأحيان يستخدمون الهيدروجين الجاهز في اسطوانات.

تطبيق الهيدروجين. بدأ إنتاج الهيدروجين على نطاق صناعي في نهاية القرن الثامن عشر لملء البالونات. في الوقت الحاضر ، يستخدم الهيدروجين على نطاق واسع في الصناعة الكيميائية ، وخاصة لإنتاج الأمونيا. المستهلك الكبير للهيدروجين هو أيضًا إنتاج الميثيل والكحوليات الأخرى والبنزين الاصطناعي والمنتجات الأخرى التي يتم الحصول عليها عن طريق تخليق الهيدروجين وأول أكسيد الكربون (II). يستخدم الهيدروجين لهدرجة الوقود السائل الصلب والثقيل والدهون وغيرها ، لتخليق حمض الهيدروكلوريك ، للمعالجة المائية للمنتجات البترولية ، في اللحام وقطع المعادن بلهب الأكسجين والهيدروجين (درجة حرارة تصل إلى 2800 درجة مئوية) و في لحام الهيدروجين الذري (حتى 4000 درجة مئوية). وجدت نظائر الهيدروجين والديوتيريوم والتريتيوم تطبيقات مهمة جدًا في هندسة الطاقة النووية.

الفينولات

هيكل
يمكن ربط مجموعة الهيدروكسيل في جزيئات المركبات العضوية مباشرة بالنواة العطرية ، أو يمكن فصلها عنها بواسطة ذرة كربون واحدة أو أكثر. من المتوقع ، بناءً على ذلك ، أن تختلف خصائص المواد اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض بسبب التأثير المتبادل لمجموعات الذرات (تذكر أحد أحكام نظرية بتليروف). في الواقع ، المركبات العضوية التي تحتوي على فينيل عطري C 6 H 5 - جذري مرتبط مباشرة بمجموعة الهيدروكسيل تظهر خصائص خاصة تختلف عن تلك الموجودة في الكحوليات. تسمى هذه المركبات الفينولات.

الفينولات -المواد العضوية التي تحتوي جزيئاتها على شق فينيل مرتبط بواحدة أو أكثر من مجموعات الهيدروكسيل.
مثل الكحوليات ، تصنف الفينولات حسب الذرية ، أي حسب عدد مجموعات الهيدروكسيل. تحتوي الفينولات أحادية الذرة على مجموعة هيدروكسيل واحدة في الجزيء:

هناك العديد من الذرات الأخرى الفينولاتتحتوي على ثلاث مجموعات هيدروكسيل أو أكثر في حلقة البنزين.
دعنا نتعرف بمزيد من التفصيل على هيكل وخصائص أبسط ممثل لهذه الفئة - الفينول C6H50H. شكل اسم هذه المادة الأساس لاسم الفئة بأكملها - الفينولات.

الخصائص الفيزيائية
مادة بلورية صلبة عديمة اللون ، tºpl = 43 ° C ، tº bp = ° C ، برائحة مميزة حادة. سام. الفينول قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء في درجة حرارة الغرفة. يسمى محلول مائي من الفينول حمض الكربوليك. يسبب حروقًا عند ملامسته للجلد ، لذلك يجب التعامل مع الفينول بحذر.
هيكل جزيء الفينول
في جزيء الفينول ، يرتبط الهيدروكسيل مباشرة بذرة الكربون لنواة البنزين العطرية.
دعونا نتذكر بنية مجموعات الذرات التي تشكل جزيء الفينول.
تتكون الحلقة العطرية من ست ذرات كربون تشكل مسدسًا منتظمًا بسبب تهجين sp 2 لمدارات الإلكترون لست ذرات كربون. ترتبط هذه الذرات بواسطة روابط z. لا تشارك الإلكترونات p لكل ذرة كربون في تكوين روابط st ، متداخلة على جوانب متقابلة من مستوى الرابطة z ، وتشكل جزأين من ستة إلكترون واحد ص- سحابة تغطي حلقة البنزين بالكامل (نواة عطرية). في جزيء البنزين C6H6 ، تكون النواة العطرية متماثلة تمامًا ، وهي إلكترونية واحدة ص- السحاب يغطي بالتساوي حلقة ذرات الكربون تحت وفوق مستوى الجزيء (الشكل 24). الرابطة التساهمية بين ذرات الأكسجين والهيدروجين لجذر الهيدروكسيل قطبية بقوة ، وتنتقل السحابة الإلكترونية العامة لرابطة OH نحو ذرة الأكسجين ، حيث تنشأ شحنة سالبة جزئية ، وعلى ذرة الهيدروجين ، شحنة موجبة جزئية . بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي ذرة الأكسجين في مجموعة الهيدروكسيل على اثنين من أزواج الإلكترونات غير المشتركة التي تنتمي إليها فقط.

في جزيء الفينول ، يتفاعل جذر الهيدروكسيل مع النواة العطرية ، بينما تتفاعل أزواج الإلكترون الوحيدة لذرة الأكسجين مع سحابة TC واحدة من حلقة البنزين ، مما يشكل نظامًا إلكترونيًا واحدًا. يسمى هذا التفاعل بين أزواج الإلكترونات المنفردة وسحب الروابط r بالاقتراب. نتيجة لاقتران زوج الإلكترون الوحيد لذرة الأكسجين لمجموعة الهيدروكسي مع نظام الإلكترون لحلقة البنزين ، تنخفض كثافة الإلكترون على ذرة الأكسجين. يتم تعويض هذا الانخفاض عن طريق الاستقطاب الأكبر للرابطة О ، والذي بدوره يؤدي إلى زيادة الشحنة الموجبة على ذرة الهيدروجين. لذلك ، فإن هيدروجين مجموعة الهيدروكسيل في جزيء الفينول له طابع "حمضي".
من المنطقي أن نفترض أن اقتران إلكترونات حلقة البنزين ومجموعة الهيدروكسيل لا يؤثر فقط على خصائصها ، بل يؤثر أيضًا على تفاعل حلقة البنزين.
في الواقع ، كما تتذكر ، فإن اقتران الأزواج الوحيدة من ذرة الأكسجين مع سحابة n من حلقة البنزين يؤدي إلى إعادة توزيع كثافة الإلكترون فيها. يتناقص عند ذرة الكربون المرتبطة بمجموعة OH (يؤثر تأثير أزواج الإلكترون من ذرة الأكسجين) ويزداد عند ذرات الكربون المجاورة لها (أي الموضعان 2 و 6 أو المواضع التقويمية). من الواضح أن الزيادة في كثافة الإلكترون عند ذرات الكربون هذه في حلقة البنزين تؤدي إلى توطين (تركيز) شحنة سالبة عليها. تحت تأثير هذه الشحنة ، هناك إعادة توزيع أخرى لكثافة الإلكترون في النواة العطرية - إزاحتها من الذرتين الثالثة والخامسة (meta-position) إلى الرابعة (ortho-position). يمكن التعبير عن هذه العمليات من خلال المخطط:

وبالتالي ، فإن وجود جذور الهيدروكسيل في جزيء الفينول يؤدي إلى تغيير في السحابة n من حلقة البنزين ، وزيادة كثافة الإلكترون في 2 و 4 و 6 ذرات الكربون (ortho- ، dara-position) و انخفاض في كثافة الإلكترون في ذرات الكربون الثالثة والخامسة (مواقع ميتا).
إن توطين كثافة الإلكترون في المواضع التقويمية والبارا يجعلهم أكثر عرضة للهجوم من قبل الجسيمات المحبة للكهرباء عند التفاعل مع المواد الأخرى.
وبالتالي ، فإن تأثير الجذور التي يتكون منها جزيء الفينول هو تأثير متبادل ، ويحدد خصائصه المميزة.
الخواص الكيميائية للفينول
خصائص الحمض
كما ذكرنا سابقًا ، فإن ذرة الهيدروجين لمجموعة الهيدروكسيل للفينول لها طابع حمضي. تكون الخصائص الحمضية للفينول أكثر وضوحًا من خصائص الماء والكحول. على عكس الكحول والماء ، يتفاعل الفينول ليس فقط مع الفلزات القلوية ، ولكن أيضًا مع القلويات لتكوين الفينولات.
ومع ذلك ، فإن الخصائص الحمضية للفينولات أقل وضوحًا من تلك الموجودة في الأحماض غير العضوية والكربوكسيلية. لذلك ، على سبيل المثال ، فإن الخصائص الحمضية للفينول أقل بحوالي 3000 مرة من تلك الخاصة بحمض الكربونيك. لذلك ، من خلال تمرير ثاني أكسيد الكربون عبر محلول مائي من فينولات الصوديوم ، يمكن عزل الفينول الحر:

تؤدي إضافة حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك إلى محلول مائي من فينولات الصوديوم أيضًا إلى تكوين الفينول.
رد فعل نوعي للفينول
يتفاعل الفينول مع كلوريد الحديد (III) لتشكيل مركب مركّب شديد اللون البنفسجي.
هذا التفاعل يجعل من الممكن اكتشافه حتى بكميات صغيرة جدًا. الفينولات الأخرى التي تحتوي على مجموعة هيدروكسيل واحدة أو أكثر على حلقة البنزين تعطي أيضًا لونًا أزرق بنفسجيًا ساطعًا عند تفاعلها مع كلوريد الحديد (III).
تفاعلات حلقة البنزين
إن وجود بدائل الهيدروكسيل يسهل بشكل كبير مسار تفاعلات الاستبدال الكهربية في حلقة البنزين.
1. بروم الفينول. على عكس البنزين ، لا تتطلب المعالجة ببروم الفينول إضافة عامل مساعد (بروميد الحديد (III)).
بالإضافة إلى ذلك ، يستمر التفاعل مع الفينول بشكل انتقائي (انتقائي): يتم إرسال ذرات البروم إلى مواضع أورثو وبارا ، لتحل محل ذرات الهيدروجين الموجودة هناك. يتم شرح انتقائية الاستبدال من خلال ميزات التركيب الإلكتروني لجزيء الفينول الذي تمت مناقشته أعلاه. لذلك ، عندما يتفاعل الفينول مع ماء البروم ، يتكون راسب أبيض من 2،4،6-ثلاثي بروموفينول.
يعمل هذا التفاعل ، بالإضافة إلى التفاعل مع كلوريد الحديد (III) ، على الكشف النوعي عن الفينول.

2. نترات الفينول أسهل أيضًا من نترات البنزين. التفاعل مع حمض النيتريك المخفف يحدث عند درجة حرارة الغرفة. نتيجة لذلك ، يتم تكوين خليط من أيزومرات أورثو وبارا-أيزومرات النيتروفينول:

3. هدرجة الحلقة العطرية للفينول في وجود محفز أمر سهل.
4. يحدث التكاثف المتعدد للفينول مع الألدهيدات ، على وجه الخصوص ، مع الفورمالديهايد ، مع تكوين منتجات التفاعل - راتنجات الفينول فورمالدهيد والبوليمرات الصلبة.
يمكن وصف تفاعل الفينول مع الفورمالديهايد بالمخطط:

ربما لاحظت أن ذرات الهيدروجين "المتنقلة" محفوظة في جزيء ثنائي ، مما يعني أن التفاعل يمكن أن يستمر أكثر مع كمية كافية من الكواشف.
يمكن أن يستمر تفاعل التكاثف المتعدد ، أي تفاعل الحصول على بوليمر ، مع إطلاق منتج ثانوي منخفض الوزن الجزيئي (الماء) (حتى يتم استهلاك أحد الكواشف تمامًا) مع تكوين جزيئات ضخمة. يمكن وصف العملية بالمعادلة الشاملة:

يحدث تكوين الجزيئات الخطية في درجة حرارة عادية. يؤدي إجراء هذا التفاعل عند تسخينه إلى حقيقة أن المنتج الناتج له بنية متفرعة ، وهو صلب وغير قابل للذوبان في الماء. نتيجة لتسخين راتنج الفينول فورمالدهيد الخطي مع زيادة الألدهيد ، يتم الحصول على كتل بلاستيكية صلبة ذات خصائص فريدة. تستخدم البوليمرات القائمة على راتنجات الفينول فورمالدهايد لتصنيع الورنيش والدهانات والمنتجات البلاستيكية المقاومة للتدفئة والتبريد والماء والقلويات والأحماض ، ولها خصائص عازلة عالية. تُستخدم البوليمرات القائمة على راتنجات الفينول فورمالدهايد في صنع الأجزاء الأكثر أهمية والأكثر أهمية من الأجهزة الكهربائية ، وأغلفة وحدات الطاقة وأجزاء الماكينة ، وقاعدة البوليمر للوحات الدوائر المطبوعة لأجهزة الراديو.

المواد اللاصقة التي تعتمد على راتنجات الفينول فورمالدهايد قادرة على ربط الأجزاء ذات الطبيعة المختلفة بشكل موثوق به ، مما يحافظ على أعلى قوة للتماسك في نطاق درجة حرارة واسع جدًا. يستخدم هذا الصمغ لربط القاعدة المعدنية لمصابيح الإضاءة بمصباح زجاجي. أصبح من الواضح لك الآن سبب استخدام الفينول والمنتجات القائمة عليه على نطاق واسع (المخطط 8).

تم اكتشاف الهيدروجين في النصف الثاني من القرن الثامن عشر من قبل العالم الإنجليزي في مجال الفيزياء والكيمياء جي كافنديش. تمكن من عزل مادة بحالة نقية ، وبدأ بدراستها ووصف خصائصها.

هذا هو تاريخ اكتشاف الهيدروجين. خلال التجارب ، حدد الباحث أنه غاز قابل للاشتعال ، حيث ينتج عن احتراقه في الهواء الماء. أدى ذلك إلى تحديد التركيب النوعي للمياه.

ما هو الهيدروجين

تم الإعلان عن الهيدروجين ، باعتباره مادة بسيطة ، لأول مرة من قبل الكيميائي الفرنسي أ. لافوازييه في عام 1784 ، حيث قرر أن جزيءه يحتوي على ذرات من نفس النوع.

يبدو اسم العنصر الكيميائي في اللاتينية مثل الهيدروجين (يُقرأ "الهيدروجين") ، وهو ما يعني "ولادة الماء". يشير الاسم إلى تفاعل الاحتراق الذي ينتج الماء.

توصيف الهيدروجين

حدد تعيين الهيدروجين N. Mendeleev الرقم التسلسلي الأول لهذا العنصر الكيميائي ، ووضعه في المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الأولى والفترة الأولى وشروطًا في المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة السابعة.

الوزن الذري (الكتلة الذرية) للهيدروجين هو 1.00797. الوزن الجزيئي لـ H 2 هو 2 أ. هـ - الكتلة المولية مساوية لها عدديًا.

يتم تمثيله بثلاثة نظائر تحمل اسمًا خاصًا: البروتيوم الأكثر شيوعًا (H) والديوتيريوم الثقيل (D) والتريتيوم المشع (T).

إنه العنصر الأول الذي يمكن فصله تمامًا إلى نظائر بطريقة بسيطة. يعتمد على الاختلاف الكتلي العالي للنظائر. تم تنفيذ العملية لأول مرة في عام 1933. يفسر ذلك حقيقة أنه في عام 1932 فقط تم اكتشاف نظير بكتلة 2.

الخصائص الفيزيائية

في ظل الظروف العادية ، فإن مادة الهيدروجين البسيطة على شكل جزيئات ثنائية الذرة هي غاز ، بدون لون ، وليس له طعم ورائحة. قليل الذوبان في الماء والمذيبات الأخرى.

درجة حرارة التبلور - 259.2 درجة مئوية ، نقطة الغليان - 252.8 درجة مئوية.قطر جزيئات الهيدروجين صغير جدًا لدرجة أن لديها القدرة على الانتشار ببطء عبر عدد من المواد (المطاط ، الزجاج ، المعادن). تستخدم هذه الخاصية عندما تكون هناك حاجة لتنقية الهيدروجين من الشوائب الغازية. في ن. ذ. كثافة الهيدروجين 0.09 كجم / م 3.

هل يمكن تحويل الهيدروجين إلى معدن قياسا على العناصر الموجودة في المجموعة الأولى؟ وجد العلماء أن الهيدروجين ، في ظل الظروف التي يقترب فيها الضغط من مليوني ضغط جوي ، يبدأ في امتصاص الأشعة تحت الحمراء ، مما يشير إلى استقطاب جزيئات المادة. ربما في ضغوط أعلى ، سيصبح الهيدروجين معدنًا.

هذا مثير للاهتمام:هناك افتراض بأن الهيدروجين على شكل معدن على الكواكب العملاقة ، كوكب المشتري وزحل. من المفترض أن الهيدروجين الصلب المعدني موجود أيضًا في تكوين لب الأرض ، بسبب الضغط العالي جدًا الناتج عن وشاح الأرض.

الخواص الكيميائية

تدخل كل من المواد البسيطة والمعقدة في تفاعل كيميائي مع الهيدروجين. لكن يجب زيادة النشاط المنخفض للهيدروجين من خلال تهيئة الظروف المناسبة - رفع درجة الحرارة ، واستخدام المحفزات ، إلخ.

عند تسخينها ، تتفاعل مواد بسيطة مثل الأكسجين (O 2) والكلور (Cl 2) والنيتروجين (N 2) والكبريت (S) مع الهيدروجين.

إذا قمت بإشعال النار في الهيدروجين النقي في نهاية أنبوب الغاز في الهواء ، فسوف يحترق بالتساوي ، ولكن بالكاد يمكن ملاحظته. ومع ذلك ، إذا تم وضع أنبوب مخرج الغاز في جو من الأكسجين النقي ، فسيستمر الاحتراق مع تكوين قطرات الماء على جدران الوعاء نتيجة التفاعل:

يصاحب احتراق الماء إطلاق كمية كبيرة من الحرارة. هذا هو تفاعل مركب طارد للحرارة حيث يتأكسد الهيدروجين بواسطة الأكسجين لتكوين أكسيد H 2 O. وهو أيضًا تفاعل أكسدة للاختزال حيث يتأكسد الهيدروجين ويختزل الأكسجين.

وبالمثل ، يحدث التفاعل مع Cl 2 بتكوين كلوريد الهيدروجين.

يتطلب تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين درجة حرارة عالية وضغط عالٍ ، فضلاً عن وجود محفز. والنتيجة هي الأمونيا.

نتيجة للتفاعل مع الكبريت ، يتم تكوين كبريتيد الهيدروجين ، مما يسهل التعرف عليه الرائحة المميزة للبيض الفاسد.

حالة أكسدة الهيدروجين في هذه التفاعلات هي +1 ، وفي الهيدرات الموصوفة أدناه ، تكون 1.

عند التفاعل مع بعض المعادن ، تتشكل الهيدريدات ، على سبيل المثال ، هيدريد الصوديوم - NaH. تستخدم بعض هذه المركبات المعقدة كوقود للصواريخ ، وكذلك في قوة الاندماج.

يتفاعل الهيدروجين أيضًا مع مواد من الفئة المعقدة. على سبيل المثال ، مع أكسيد النحاس (II) ، الصيغة CuO. لإجراء التفاعل ، يتم تمرير هيدروجين النحاس فوق أكسيد النحاس المسحوق (II). أثناء التفاعل ، يغير الكاشف لونه ويصبح أحمر-بني ، وتستقر قطرات الماء على الجدران الباردة لأنبوب الاختبار.

أثناء التفاعل ، يتأكسد الهيدروجين لتكوين الماء ، ويتم اختزال النحاس من أكسيد إلى مادة بسيطة (Cu).

مجالات الاستخدام

الهيدروجين ذو أهمية كبيرة للبشر ويستخدم في مجالات متنوعة:

1. في الصناعات الكيماوية هي مواد خام ، وفي صناعات أخرى هي وقود. لا تستغني عن الهيدروجين وشركات البتروكيماويات وتكرير النفط.
2. في صناعة الطاقة الكهربائية ، تعمل هذه المادة البسيطة كعامل تبريد.
3. في علم المعادن الحديدية وغير الحديدية ، يلعب الهيدروجين دور عامل الاختزال.
4. بهذه المساعدة ، يتم إنشاء بيئة خاملة عند تغليف المنتجات.
5. تستخدم صناعة المستحضرات الصيدلانية الهيدروجين ككاشف في إنتاج بيروكسيد الهيدروجين.
6. تمتلئ مجسات الأرصاد الجوية بهذا الغاز الخفيف.
7. يُعرف هذا العنصر أيضًا باسم عامل تقليل الوقود لمحركات الصواريخ.

يتوقع العلماء بالإجماع أن وقود الهيدروجين سيكون الرائد في قطاع الطاقة.

الاستلام في الصناعة

في الصناعة ، يتم إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي ، والذي يخضع لكلوريدات أو هيدروكسيدات الفلزات القلوية المذابة في الماء. من الممكن أيضًا الحصول على الهيدروجين بهذه الطريقة مباشرة من الماء.

لهذا الغرض ، يتم استخدام تحويل فحم الكوك أو الميثان بالبخار. ينتج عن تحلل الميثان عند درجة حرارة مرتفعة الهيدروجين أيضًا. يتم أيضًا استخدام تسييل غاز فرن الكوك بالطريقة الجزئية للإنتاج الصناعي للهيدروجين.

الحصول عليها في المختبر

في المختبر ، يتم استخدام جهاز Kipp لإنتاج الهيدروجين.

يعمل حمض الهيدروكلوريك أو الكبريتيك والزنك ككواشف. نتيجة التفاعل يتكون الهيدروجين.

إيجاد الهيدروجين في الطبيعة

الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعًا في الكون. الجزء الأكبر من النجوم ، بما في ذلك الشمس ، والأجسام الكونية الأخرى هو الهيدروجين.

تتواجد في القشرة الأرضية بنسبة 0.15٪ فقط. إنه موجود في العديد من المعادن ، في جميع المواد العضوية ، وكذلك في الماء الذي يغطي 3/4 سطح كوكبنا.

يمكن العثور على آثار الهيدروجين النقي في الغلاف الجوي العلوي. يوجد أيضًا في عدد من الغازات الطبيعية القابلة للاحتراق.

الهيدروجين الغازي هو أنحف ، والهيدروجين السائل هو المادة الأكثر كثافة على كوكبنا. بمساعدة الهيدروجين ، يمكنك تغيير جرس الصوت ، إذا استنشقته ، وتحدثت أثناء الزفير.

تعتمد أقوى قنبلة هيدروجينية على انقسام أخف ذرة.

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 تسخينها ، فإنها تتفاعل مع العديد من العناصر.

يتفاعل الهيدروجين مع مواد بسيطة ومعقدة:

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

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"

حاليا ، 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 صناعة المصابيح المتوهجة والأحجار 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

في الدرس 22 الخصائص الكيميائية للهيدروجين»من الدورة« كيمياء الدمى»تعرف على المواد التي يتفاعل معها الهيدروجين. اكتشف الخصائص الكيميائية للهيدروجين.

يدخل الهيدروجين في تفاعلات كيميائية بمواد بسيطة ومعقدة. ومع ذلك ، في ظل الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غير نشط. لتفاعله مع المواد الأخرى ، من الضروري تهيئة الظروف: زيادة درجة الحرارة ، واستخدام محفز ، إلخ.

تفاعلات الهيدروجين مع مواد بسيطة

عند تسخينه ، يدخل الهيدروجين في تفاعل تركيبي مع مواد بسيطة - الأكسجين والكلور والنيتروجين والكبريت.

إذا أضرمت النار في الهيدروجين النقي في الهواء ، وخرج من أنبوب مخرج الغاز ، فإنه يحترق بلهب متساوٍ بالكاد يمكن ملاحظته. الآن دعونا نضع أنبوبًا به هيدروجين محترق في إناء أكسجين (الشكل 95).

يستمر احتراق الهيدروجين ، بينما تظهر قطرات الماء المتكونة نتيجة التفاعل على جدران البرطمان:

عندما يحترق الهيدروجين ، يتم إطلاق الكثير من الحرارة. تصل درجة حرارة لهب الأكسجين - الهيدروجين إلى أكثر من 2000 درجة مئوية.

يشير التفاعل الكيميائي للهيدروجين مع الأكسجين إلى تفاعلات مركبة. نتيجة التفاعل يتكون أكسيد الهيدروجين (الماء). هذا يعني أن الأكسجين قد تأكسد ، أي يمكننا أيضًا أن نطلق على هذا التفاعل تفاعل أكسدة.

ومع ذلك ، إذا تم جمع كمية صغيرة من الهيدروجين في أنبوب اختبار مقلوبًا رأسًا على عقب عن طريق إزاحة الهواء ، ثم تم إحضار عود ثقاب محترق إلى ثقبه ، فحينئذٍ يصدر صوت "نباح" مرتفع لانفجار صغير لمزيج من الهيدروجين و سوف يسمع الهواء. يسمى هذا الخليط "المتفجر".

في ملاحظة: غالبًا ما تكون قدرة الهيدروجين في خليط مع الهواء على تكوين "غاز متفجر" سببًا لحوادث البالونات المملوءة بالهيدروجين. أدى انتهاك إحكام القذيفة إلى نشوب حريق بل وانفجار. في الوقت الحاضر ، تمتلئ البالونات بالهيليوم أو يتم ضخها باستمرار بالهواء الساخن.

في جو من الكلور ، يحترق الهيدروجين ليشكل مادة معقدة - كلوريد الهيدروجين. في هذه الحالة ، يستمر التفاعل:

يحدث تفاعل الهيدروجين مع النيتروجين عند درجة حرارة وضغط مرتفعين في وجود محفز. نتيجة التفاعل تتكون الأمونيا NH 3:

إذا تم توجيه تيار من الهيدروجين إلى الكبريت المذاب في أنبوب اختبار ، فسيتم الشعور برائحة البيض الفاسد عند ثقبه. هذه هي الطريقة التي يشم بها غاز كبريتيد الهيدروجين H 2S - نتاج تفاعل الهيدروجين مع الكبريت:

في ملاحظة: الهيدروجين قادر ليس فقط على الذوبان في بعض المعادن ، ولكن أيضًاجيرات معهم. هذا يشكل مركبات كيميائية تسمى الهيدريدات (NaH - هيدريد الصوديوم). تستخدم هيدريدات بعض المعادن كوقود في محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب ، وكذلك في إنتاج الطاقة الحرارية النووية.

تفاعلات الهيدروجين مع المواد المعقدة

يتفاعل الهيدروجين في درجات حرارة مرتفعة ليس فقط مع المواد البسيطة ولكن أيضًا مع المواد المعقدة. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، تفاعلها مع أكسيد النحاس (II) CuO (الشكل 96).

دعونا نمرر الهيدروجين فوق المسحوق الساخن لأكسيد النحاس (II) CuO. مع استمرار التفاعل ، يتغير لون المسحوق من الأسود إلى الأحمر البني. هذا هو لون مادة النحاس البسيطة Cu. أثناء التفاعل ، تظهر قطرات من السائل على الأجزاء الباردة من أنبوب الاختبار. هذا منتج آخر للتفاعل - ماء H 2 O. لاحظ أنه ، على عكس مادة النحاس البسيطة ، فإن الماء مادة معقدة.

معادلة تفاعل أكسيد النحاس (II) مع الهيدروجين:

يظهر تفاعل الهيدروجين مع أكسيد النحاس (II) القدرة على سحب الأكسجين من أكسيد الفلز ، وبالتالي استعادة المعدن من هذا الأكسيد. نتيجة لذلك ، هناك استعادة النحاسمن المادة المعقدة CuO إلى النحاس المعدني (Cu).

ردود فعل الانتعاش- هذه تفاعلات تتبرع فيها المواد المعقدة بذرات الأكسجين لمواد أخرى.

تسمى المادة التي تزيل ذرات الأكسجين عامل الاختزال. في التفاعل مع أكسيد النحاس (II) ، يكون عامل الاختزال هو الهيدروجين. يتفاعل الهيدروجين أيضًا مع أكاسيد بعض المعادن الأخرى ، مثل PbO و HgO و MoO 3 و WO 3 وغيرها ، ودائمًا ما يرتبط الأكسدة والاختزال ببعضهما البعض. في حالة أكسدة مادة (H 2) ، يتم تقليل المادة الأخرى (CuO) والعكس صحيح.

ملخص الدرس:

1. عند تسخينه ، يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين والكلور والنيتروجين والكبريت.
2. الاستعادة هي إعطاء ذرات الأكسجين بواسطة مواد معقدة إلى مواد أخرى.
3. عمليات الأكسدة والاختزال مترابطة.

أتمنى أن يكون الدرس 22 " الخصائص الكيميائية للهيدروجينكان واضحًا وغنيًا بالمعلومات. إذا كان لديك أي أسئلة ، فاكتبها في التعليقات.

تحتوي ذرة الهيدروجين على الصيغة الإلكترونية للمستوى الإلكتروني الخارجي (الوحيد) 1 سواحد . من ناحية ، من خلال وجود إلكترون واحد في المستوى الإلكتروني الخارجي ، فإن ذرة الهيدروجين تشبه ذرات الفلزات القلوية. ومع ذلك ، تمامًا مثل الهالوجينات ، فإنه يفتقر إلى إلكترون واحد فقط لملء المستوى الإلكتروني الخارجي ، حيث لا يمكن وضع أكثر من إلكترونين على المستوى الإلكتروني الأول. اتضح أنه يمكن وضع الهيدروجين في وقت واحد في كل من المجموعة الأولى وقبل الأخيرة (السابعة) من الجدول الدوري ، والتي تتم أحيانًا في إصدارات مختلفة من النظام الدوري:

من وجهة نظر خصائص الهيدروجين كمادة بسيطة ، فإنه مع ذلك يشترك أكثر مع الهالوجينات. الهيدروجين ، مثله مثل الهالوجينات ، مادة غير فلزية وتشكل جزيئات ثنائية الذرة (H 2) بشكل مشابه لها.

في ظل الظروف العادية ، يعتبر الهيدروجين مادة غازية غير نشطة. يُفسر النشاط المنخفض للهيدروجين بالقوة العالية للرابطة بين ذرات الهيدروجين في الجزيء ، الأمر الذي يتطلب إما تسخينًا قويًا أو استخدام محفزات ، أو كليهما في نفس الوقت لكسرها.

تفاعل الهيدروجين مع المواد البسيطة

بالمعادن

من بين المعادن ، يتفاعل الهيدروجين فقط مع الأرض القلوية والقلوية! تشمل الفلزات القلوية معادن المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الأولى (Li ، Na ، K ، Rb ، Cs ، Fr) ، والمعادن الأرضية القلوية هي معادن المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة II ، باستثناء البريليوم والمغنيسيوم (Ca، Sr، Ba ، رع)

عند التفاعل مع المعادن النشطة ، يُظهر الهيدروجين خصائص مؤكسدة ، أي يقلل من حالة الأكسدة. في هذه الحالة ، تتشكل هيدريدات الفلزات الأرضية القلوية والقلوية ، والتي لها بنية أيونية. يستمر التفاعل عند تسخينه:

وتجدر الإشارة إلى أن التفاعل مع المعادن النشطة هو الحالة الوحيدة عندما يكون الهيدروجين الجزيئي H2 عامل مؤكسد.

مع غير المعادن

من غير المعادن ، يتفاعل الهيدروجين فقط مع الكربون والنيتروجين والأكسجين والكبريت والسيلينيوم والهالوجينات!

يجب أن يُفهم الكربون على أنه غرافيت أو كربون غير متبلور ، لأن الماس هو تعديل خامل للغاية للكربون.

عند التفاعل مع غير المعادن ، يمكن للهيدروجين فقط أداء وظيفة عامل الاختزال ، أي أنه يمكنه فقط زيادة حالة الأكسدة:

تفاعل الهيدروجين مع المواد المعقدة

مع أكاسيد المعادن

لا يتفاعل الهيدروجين مع أكاسيد المعادن الموجودة في سلسلة نشاط المعادن حتى الألومنيوم (شامل) ، ومع ذلك ، فإنه قادر على تقليل العديد من أكاسيد المعادن على يمين الألومنيوم عند تسخينه:

مع أكاسيد غير معدنية

من الأكاسيد غير المعدنية ، يتفاعل الهيدروجين عند تسخينه مع أكاسيد النيتروجين والهالوجينات والكربون. من بين جميع تفاعلات الهيدروجين مع الأكاسيد غير المعدنية ، يجب ملاحظة تفاعله مع أول أكسيد الكربون بشكل خاص.

حتى أن خليط ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون له اسمه الخاص - "الغاز التخليقي" ، حيث يمكن الحصول منه ، اعتمادًا على الظروف ، على المنتجات الصناعية المطلوبة مثل الميثانول والفورمالديهايد وحتى الهيدروكربونات الاصطناعية:

مع الأحماض

الهيدروجين لا يتفاعل مع الأحماض غير العضوية!

من بين الأحماض العضوية ، يتفاعل الهيدروجين فقط مع الأحماض غير المشبعة ، وكذلك مع الأحماض التي تحتوي على مجموعات وظيفية يمكن تقليلها بواسطة الهيدروجين ، ولا سيما مجموعات الألدهيد أو كيتو أو نيترو.

مع الأملاح

في حالة المحاليل المائية للأملاح ، لا يحدث تفاعلها مع الهيدروجين. ومع ذلك ، عند تمرير الهيدروجين فوق الأملاح الصلبة لبعض المعادن ذات النشاط المتوسط ​​والمنخفض ، يكون اختزالها الجزئي أو الكامل ممكنًا ، على سبيل المثال:

الخواص الكيميائية للهالوجينات

الهالوجينات هي العناصر الكيميائية للمجموعة VIIA (F ، Cl ، Br ، I ، At) ، بالإضافة إلى المواد البسيطة التي تشكلها. فيما يلي ، ما لم ينص على خلاف ذلك ، سيتم فهم الهالوجينات على أنها مواد بسيطة.

جميع الهالوجينات لها بنية جزيئية ، مما يؤدي إلى انخفاض نقاط انصهار وغليان هذه المواد. جزيئات الهالوجين ثنائية الذرة ، أي يمكن كتابة صيغتها بشكل عام مثل Hal 2.

وتجدر الإشارة إلى هذه الخاصية الفيزيائية المحددة لليود مثل قدرته على تساميأو بعبارة أخرى ، تسامي. تسامي، يطلقون على الظاهرة التي لا تذوب فيها مادة في الحالة الصلبة عند تسخينها ، ولكن ، بتجاوز المرحلة السائلة ، تنتقل على الفور إلى الحالة الغازية.

يكون للهيكل الإلكتروني لمستوى الطاقة الخارجية لذرة أي هالوجين الشكل ns 2 np 5 ، حيث n هو رقم فترة الجدول الدوري الذي يوجد فيه الهالوجين. كما ترون ، هناك إلكترون واحد مفقود من الغلاف الخارجي المكون من ثمانية إلكترونات لذرات الهالوجين. من هذا المنطقي أن نفترض الخصائص المؤكسدة في الغالب للهالوجينات الحرة ، والتي تم تأكيدها أيضًا في الممارسة. كما تعلم ، فإن الكهربية غير الفلزية تنخفض عند التحرك أسفل المجموعة الفرعية ، وبالتالي يتناقص نشاط الهالوجينات في السلسلة:

F 2> Cl 2> Br 2> I 2

تفاعل الهالوجينات مع المواد البسيطة

جميع الهالوجينات شديدة التفاعل وتتفاعل مع معظم المواد البسيطة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الفلور ، بسبب تفاعله العالي للغاية ، يمكن أن يتفاعل حتى مع تلك المواد البسيطة التي لا تتفاعل معها الهالوجينات الأخرى. تشمل هذه المواد البسيطة الأكسجين والكربون (الماس) والنيتروجين والبلاتين والذهب وبعض الغازات النبيلة (الزينون والكريبتون). أولئك. فعلا، لا يتفاعل الفلور مع بعض الغازات النبيلة فقط.

الهالوجينات المتبقية ، أي الكلور والبروم واليود من المواد الفعالة أيضًا ، ولكنها أقل نشاطًا من الفلور. تتفاعل مع جميع المواد البسيطة تقريبًا باستثناء الأكسجين والنيتروجين والكربون في شكل الماس والبلاتين والذهب والغازات النبيلة.

تفاعل الهالوجينات مع اللافلزات

هيدروجين

تتفاعل جميع الهالوجينات مع الهيدروجين لتكوينها هاليدات الهيدروجينمع الصيغة العامة HHal. في الوقت نفسه ، يبدأ تفاعل الفلور مع الهيدروجين تلقائيًا حتى في الظلام ويستمر بانفجار وفقًا للمعادلة:

يمكن أن يبدأ تفاعل الكلور مع الهيدروجين عن طريق الأشعة فوق البنفسجية الشديدة أو التسخين. التسريبات المصحوبة بانفجار:

يتفاعل البروم واليود مع الهيدروجين فقط عند تسخينهما ، وفي نفس الوقت يكون التفاعل مع اليود قابلاً للعكس:

الفوسفور

يؤدي تفاعل الفلور مع الفوسفور إلى أكسدة الفوسفور إلى أعلى حالة أكسدة (+5). في هذه الحالة ، يحدث تكوين الفوسفور pentafluoride:

عندما يتفاعل الكلور والبروم مع الفوسفور ، فمن الممكن الحصول على هاليدات الفوسفور في كل من حالة الأكسدة + 3 وفي حالة الأكسدة + 5 ، والتي تعتمد على نسب المواد المتفاعلة:

في حالة وجود الفسفور الأبيض في جو من الفلور أو الكلور أو البروم السائل ، يبدأ التفاعل تلقائيًا.

يمكن أن يؤدي تفاعل الفوسفور مع اليود إلى تكوين ثلاثي يود الفوسفور فقط بسبب قدرة الأكسدة الأقل بشكل ملحوظ عن الهالوجينات الأخرى:

رمادي

يؤكسد الفلور الكبريت إلى أعلى حالة أكسدة +6 ، مكونًا سداسي فلوريد الكبريت:

يتفاعل الكلور والبروم مع الكبريت ، مكونين مركبات تحتوي على الكبريت في حالات الأكسدة التي تعتبر غير عادية للغاية بالنسبة لها +1 و +2. هذه التفاعلات محددة للغاية ، ولاجتياز امتحان الكيمياء ، فإن القدرة على تدوين معادلات هذه التفاعلات ليست ضرورية. لذلك ، يتم إعطاء المعادلات الثلاث التالية بدلاً من ذلك للإرشاد:

تفاعل الهالوجينات مع المعادن

كما ذكرنا سابقًا ، الفلور قادر على التفاعل مع جميع المعادن ، حتى المعادن غير النشطة مثل البلاتين والذهب:

تتفاعل الهالوجينات المتبقية مع جميع المعادن باستثناء البلاتين والذهب:

تفاعلات الهالوجينات مع المواد المعقدة

تفاعلات الاستبدال بالهالوجينات

الهالوجينات الأكثر نشاطًا ، أي التي توجد عناصرها الكيميائية في أعلى الجدول الدوري ، قادرة على إزاحة الهالوجينات الأقل نشاطًا من الأحماض المائية والهاليدات المعدنية التي تشكلها:

وبالمثل ، يقوم البروم واليود بإزاحة الكبريت من محاليل الكبريتيد و / أو كبريتيد الهيدروجين:

الكلور عامل مؤكسد أقوى ويؤكسد كبريتيد الهيدروجين في محلوله المائي ليس للكبريت ، ولكن لحمض الكبريتيك:

تفاعل الهالوجينات مع الماء

يحترق الماء في الفلور بلهب أزرق وفقًا لمعادلة التفاعل:

يتفاعل البروم والكلور مع الماء بشكل مختلف عن تفاعل الفلور. إذا كان الفلور يعمل كعامل مؤكسد ، فإن الكلور والبروم غير متناسب في الماء ، مكونين خليطًا من الأحماض. في هذه الحالة ، تكون التفاعلات قابلة للعكس:

يستمر تفاعل اليود مع الماء إلى درجة غير مهمة بحيث يمكن إهماله واعتبار أن التفاعل لا يستمر على الإطلاق.

تفاعل الهالوجينات مع المحاليل القلوية

الفلور ، عند التفاعل مع محلول مائي قلوي ، يعمل مرة أخرى كعامل مؤكسد:

القدرة على كتابة هذه المعادلة غير مطلوبة لاجتياز الاختبار. يكفي معرفة حقيقة إمكانية حدوث مثل هذا التفاعل والدور المؤكسد للفلور في هذا التفاعل.

على عكس الفلور ، فإن الهالوجينات المتبقية غير متناسبة في المحاليل القلوية ، أي أنها تزيد وتقليل حالة الأكسدة في نفس الوقت. في الوقت نفسه ، في حالة الكلور والبروم ، اعتمادًا على درجة الحرارة ، يكون التدفق في اتجاهين مختلفين ممكنًا. على وجه الخصوص ، في البرد ، تستمر ردود الفعل على النحو التالي:

وعند التسخين:

يتفاعل اليود مع القلويات حصريًا وفقًا للخيار الثاني ، أي مع تشكيل اليود ، لأن مادة hypoiodite غير مستقرة ليس فقط عند تسخينها ، ولكن أيضًا في درجات الحرارة العادية وحتى في البرد.