Hidrogen qaz halında olan bir maddədir. Hidrogenin kimyəvi xassələri

hidrogen(lat. Hydrogenium), H, kimyəvi element, Mendeleyevin dövri sistemində seriya nömrəsi ilə birinci; atom kütləsi 1.0079. Normal şəraitdə Hidrogen qazdır; rəngi, qoxusu və dadı yoxdur.

Hidrogenin təbiətdə paylanması. Hidrogen təbiətdə geniş yayılmışdır, onun yer qabığında (litosfer və hidrosferdə) miqdarı kütləcə 1%, atomların sayına görə isə 16% təşkil edir. Hidrogen Yer üzündə ən çox yayılmış maddənin bir hissəsidir - su (kütləvi hidrogenin 11,19%), kömür, neft, təbii qazlar, gillər, habelə heyvan və bitki orqanizmlərini təşkil edən birləşmələrin tərkibindədir (yəni zülalların, nuklein turşularının, yağların, karbohidratların və başqalarının tərkibi). Sərbəst vəziyyətdə Hidrogen olduqca nadirdir az miqdarda vulkanik və digər təbii qazlarda rast gəlinir. Atmosferdə az miqdarda sərbəst Hidrogen (atomların sayına görə 0,0001%) mövcuddur. Yerə yaxın kosmosda proton axını şəklində olan Hidrogen Yerin daxili (“proton”) radiasiya kəmərini təşkil edir. Kosmosda hidrogen ən çox yayılmış elementdir. Plazma şəklində Günəşin və əksər ulduzların kütləsinin təxminən yarısını, qazların əsas hissəsini təşkil edir. ulduzlararası mühit və qaz dumanlıqları. Hidrogen bir sıra planetlərin atmosferində və kometlərdə sərbəst H 2, metan CH 4, ammonyak NH 3, su H 2 O, CH, NH, OH, SiH, PH kimi radikallar və s. Hidrogen proton axını şəklində Günəşin və kosmik şüaların korpuskulyar şüalanmasına daxil olur.

Hidrogenin izotopları, atomu və molekulu. Adi Hidrogen 2 sabit izotopun qarışığından ibarətdir: yüngül Hidrogen və ya protium (1 H) və ağır Hidrogen və ya deuterium (2 H və ya D). Hidrogenin təbii birləşmələrində 2 H-nin 1 atomunda orta hesabla 6800 1 H atomu var. Kütləvi sayı 3 olan radioaktiv izotop superağır Hidrogen və ya yumşaq β- olan tritium (3 H və ya T) adlanır. radiasiya və yarımparçalanma müddəti T ½ = 12,262 il. Təbiətdə tritium, məsələn, kosmik şüa neytronlarının təsiri altında atmosfer azotundan əmələ gəlir; atmosferdə əhəmiyyətsiz dərəcədə kiçikdir (Hidrogen atomlarının ümumi sayının 4·10 -15%-i). Həddindən artıq qeyri-sabit izotop 4 H əldə edildi.1 H, 2 H, 3 H və 4 H izotoplarının kütlə nömrələri müvafiq olaraq 1, 2, 3 və 4, protium atomunun nüvəsinin yalnız bir protondan ibarət olduğunu göstərir və deyteriyə - bir proton və bir neytron, tritium - bir proton və 2 neytron, 4 H - bir proton və 3 neytron. Hidrogen izotoplarının kütlələrindəki böyük fərq onların fiziki və kimyəvi xassələrində digər elementlərin izotoplarına nisbətən daha nəzərə çarpan fərqə səbəb olur.

Hidrogen atomu bütün digər elementlərin atomları arasında ən sadə quruluşa malikdir: bir nüvə və bir elektrondan ibarətdir. Nüvəsi olan elektronun bağlanma enerjisi (ionlaşma potensialı) 13,595 eV-dir. Neytral hidrogen atomu həm də mənfi H ionu yaradaraq ikinci elektronu birləşdirə bilər - bu halda ikinci elektronun neytral atomla bağlanma enerjisi (elektron yaxınlığı) 0,78 eV-dir. Kvant mexanikası bizə Hidrogen atomunun bütün mümkün enerji səviyyələrini hesablamağa imkan verir və buna görə də onun atom spektrinin tam şərhini verir. Hidrogen atomu digər, daha mürəkkəb atomların enerji səviyyələrinin kvant mexaniki hesablamalarında model atom kimi istifadə olunur.

Hidrogen H2 molekulu kovalent kimyəvi bağla bağlanmış iki atomdan ibarətdir. Dissosiasiya enerjisi (yəni atomlara parçalanma) 4,776 eV-dir. Nüvələrin tarazlıq mövqeyində atomlararası məsafə 0,7414 Å-dir. Yüksək temperaturda molekulyar Hidrogen atomlara ayrılır (2000°C-də dissosiasiya dərəcəsi 0,0013, 5000°C-də 0,95-dir). Atom hidrogeni müxtəlif kimyəvi reaksiyalarda da əmələ gəlir (məsələn, Zn-nin təsiri xlorid turşusu). Ancaq hidrogenin atom halında mövcudluğu yalnız davam edir qısa müddət, atomlar yenidən H 2 molekullarına birləşir.

Hidrogenin fiziki xassələri. Hidrogen məlum olan bütün maddələrin ən yüngülüdür (havadan 14,4 dəfə yüngüldür), sıxlığı 0°C-də 0,0899 q/l və 1 atm. Hidrogen müvafiq olaraq -252.8°C və -259.1°C-də qaynayır (mayeləşir) və əriyir (bərkləşir) (yalnız helium daha çox olur) aşağı temperaturlarərimə və qaynama). Hidrogenin kritik temperaturu çox aşağıdır (-240°C), ona görə də onun mayeləşdirilməsi böyük çətinliklərlə doludur; kritik təzyiq 12,8 kqf/sm 2 (12,8 atm), kritik sıxlıq 0,0312 q/sm3. Bütün qazlar arasında Hidrogen ən yüksək istilik keçiriciliyinə malikdir, 0°C və 1 atm-də 0,174 W/(m·K) bərabərdir, yəni 4,16·10 -4 kal/(s·sm·°C). 0°C və 1 atm C-də Hidrogenin xüsusi istiliyi p 14,208 kJ/(kq·K), yəni 3,394 kal/(g·°С). Hidrogen suda az həll olur (20°C və 1 atm-də 0,0182 ml/q), lakin bir çox metallarda (Ni, Pt, Pa və s.), xüsusilə palladiumda (Pd-nin 1 həcminə 850 həcm) yaxşı həll olunur. Hidrogenin metallarda həll olması onun onlar vasitəsilə yayılma qabiliyyəti ilə bağlıdır; Karbon ərintisi (məsələn, polad) vasitəsilə diffuziya bəzən Hidrogenin karbonla qarşılıqlı təsiri (sözdə dekarbonizasiya) səbəbindən ərintinin məhv edilməsi ilə müşayiət olunur. Maye Hidrogen çox yüngül (sıxlığı -253°C 0,0708 q/sm 3) və mayedir (-253°C-də özlülük 13,8 spuaz).

Hidrogenin kimyəvi xassələri. Əksər birləşmələrdə Hidrogen natrium və digər qələvi metallar kimi valentlik (daha dəqiq desək, oksidləşmə vəziyyəti) +1 nümayiş etdirir; adətən dövri sistemin I qrupuna daxil olan bu metalların analoqu kimi qəbul edilir. Bununla birlikdə, metal hidridlərdə Hidrogen ionu mənfi yüklənir (oksidləşmə vəziyyəti -1), yəni hidrid Na + H - xlorid Na + Cl - kimi qurulur. Bu və bəzi digər faktlar (Hidrogenlə halogenlərin fiziki xassələrinin oxşarlığı, halogenlərin üzvi birləşmələrdə Hidrogeni əvəz etmək qabiliyyəti) Hidrogeni də dövri cədvəlin VII qrupuna aid etməyə əsas verir. Adi şəraitdə molekulyar Hidrogen nisbətən az aktivdir, birbaşa qeyri-metalların ən aktivi ilə (ftorla, işıqda isə xlorla) birləşir. Lakin qızdırıldıqda bir çox elementlə reaksiya verir. Atom Hidrogen molekulyar Hidrogenlə müqayisədə kimyəvi aktivliyi artırmışdır. Oksigenlə hidrogen suyu əmələ gətirir:

H 2 + 1/2 O 2 = H 2 O

285,937 kJ/mol, yəni 68,3174 kkal/mol istilik (25°C və 1 atm) buraxılması ilə. Normal temperaturda reaksiya çox yavaş gedir, 550°C-dən yuxarıda partlayır. Hidrogen-oksigen qarışığının partlayıcı həddi (həcmə görə) 4-dən 94%-ə qədər H2, hidrogen-hava qarışığı üçün isə 4-dən 74%-ə qədər H2 (2 həcm H2 və 1 həcm O2 qarışığı adlanır) partlayan qaz). Hidrogen bir çox metalları azaltmaq üçün istifadə olunur, çünki onların oksidlərindən oksigeni çıxarır:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O,

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O və s.

Halojenlərlə Hidrogen hidrogen halidləri əmələ gətirir, məsələn:

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

Eyni zamanda, Hidrogen flüorla (hətta qaranlıqda və - 252 ° C-də) partlayır, xlor və brom ilə yalnız işıqlandırıldıqda və ya qızdırıldıqda, yod ilə isə yalnız qızdırıldıqda reaksiya verir. Hidrogen azotla reaksiyaya girərək ammonyak əmələ gətirir:

ZN 2 + N 2 = 2NH 3

yalnız katalizatorda və yüksək temperatur və təzyiqlərdə. Qızdırıldıqda Hidrogen kükürdlə güclü reaksiya verir:

H 2 + S = H 2 S (hidrogen sulfid),

selen və tellur ilə daha çətindir. Hidrogen katalizatorsuz təmiz karbonla yalnız yüksək temperaturda reaksiya verə bilər:

2H 2 + C (amorf) = CH 4 (metan).

Hidrogen bəzi metallarla (qələvi, qələvi torpaq və s.) birbaşa reaksiyaya girərək hidridlər əmələ gətirir:

H 2 + 2Li = 2LiH.

Temperaturdan, təzyiqdən və katalizatordan asılı olaraq müxtəlif üzvi birləşmələrin, məsələn, HCHO, CH 3 OH və s. Doymamış karbohidrogenlər Hidrogenlə reaksiya verir, doymuş olur, məsələn:

C n H 2n + H 2 = C n H 2n+2.

Hidrogen və onun birləşmələrinin kimyada rolu olduqca böyükdür. Hidrogen sözdə protik turşuların turşu xüsusiyyətlərini təyin edir. Hidrogen bir çox üzvi və qeyri-üzvi birləşmələrin xüsusiyyətlərinə həlledici təsir göstərən bəzi elementlərlə sözdə hidrogen bağı yaratmağa meyllidir.

Hidrogenin alınması. üçün xammalın əsas növləri sənaye istehsalı Hidrogen - təbii yanar qazlar, koks qazı və neft emalı qazları. Hidrogen sudan elektroliz yolu ilə də əldə edilir (ucuz elektrik enerjisi olan yerlərdə). Ən vacib yollarla hidrogen istehsalı təbii qaz karbohidrogenlərin, əsasən metanın su buxarı ilə katalitik qarşılıqlı təsiri (çevirmə):

CH 4 + H 2 O = CO + ZN 2,

və karbohidrogenlərin oksigenlə natamam oksidləşməsi:

CH 4 + 1/2 O 2 = CO + 2H 2

Nəticədə meydana gələn karbonmonoksit (II) də çevrilməyə məruz qalır:

CO + H 2 O = CO 2 + H 2.

Təbii qazdan əldə edilən hidrogen ən ucuzdur.

Hidrogen koks qazından və neft emalı qazlarından qaz qarışığının qalan komponentlərini çıxararaq, dərin soyutma zamanı Hidrogendən daha asan mayeləşərək ayrılır. Suyun elektrolizi birbaşa cərəyanla həyata keçirilir, onu KOH və ya NaOH məhlulundan keçir (polad avadanlığının korroziyasının qarşısını almaq üçün turşular istifadə edilmir). Laboratoriyalarda hidrogen suyun elektrolizi, həmçinin sink və xlorid turşusu arasında reaksiya nəticəsində əldə edilir. Bununla belə, daha tez-tez silindrlərdə hazır hidrogendən istifadə edirlər.

Hidrogenin tətbiqi. IN sənaye miqyası Hidrogen 18-ci əsrin sonunda şarları doldurmaq üçün istehsal olunmağa başladı. Hal-hazırda Hidrogen kimya sənayesində, əsasən ammonyak istehsalı üçün geniş istifadə olunur. Hidrogenin əsas istehlakçısı həm də metil və digər spirtlərin, sintetik benzinin və Hidrogen və dəm qazından (II) sintez yolu ilə əldə edilən digər məhsulların istehsalıdır. Hidrogen bərk və ağır maye yanacaqların, yağların və başqalarının hidrogenləşdirilməsində, HCl-nin sintezində, neft məhsullarının hidrotəmizlənməsində, oksigen-hidrogen alovu ilə metalların qaynaqlanmasında və kəsilməsində (temperatur 2800°C-ə qədər) istifadə olunur. və atom-hidrogen qaynaqında (4000°C-ə qədər) . Hidrogen izotopları - deuterium və tritium - nüvə enerjisində çox vacib tətbiqlər tapdı.

Fenollar

Struktur
Üzvi birləşmələrin molekullarında hidroksil qrupu birbaşa aromatik halqa ilə əlaqələndirilə bilər və ya ondan bir və ya bir neçə karbon atomu ilə ayrıla bilər. Bundan asılı olaraq, atom qruplarının qarşılıqlı təsiri səbəbindən maddələrin xassələrinin bir-birindən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənəcəyini gözləmək olar (Butlerov nəzəriyyəsinin müddəalarından birini xatırlayın). Həqiqətən, hidroksil qrupuna birbaşa bağlı olan aromatik radikal fenil C 6 H 5 - olan üzvi birləşmələr spirtlərin xüsusiyyətlərindən fərqlənən xüsusi xüsusiyyətlər nümayiş etdirir. Belə birləşmələrə fenollar deyilir.

Fenollar - molekullarında bir və ya bir neçə hidroksi qrupu ilə əlaqəli fenil radikalı olan üzvi maddələr.
Eynilə spirtlər kimi, fenollar da atomikliyə, yəni hidroksil qruplarının sayına görə təsnif edilir.Monohidrik fenolların molekulunda bir hidroksil qrupu var:

Digər çox atomlu var fenollar benzol halqasında üç və ya daha çox hidroksil qrupu olan.
Bu sinfin ən sadə nümayəndəsinin - fenol C6H50H-nin quruluşunu və xüsusiyyətlərini daha ətraflı nəzərdən keçirək. Bu maddənin adı bütün sinfin - fenolların adının əsasını təşkil etdi.

Fiziki xassələri
Bərk rəngsiz kristal maddə, tºmel = 43 °C, tº qaynama = °C, kəskin xarakterik qoxu ilə. Zəhərli. Fenolda otaq temperaturu suda az həll olunur. Fenolun sulu məhlulu karbol turşusu adlanır. Dəri ilə təmasda olduqda yanıqlara səbəb olur, ona görə də fenol ehtiyatla işlənməlidir.
Fenol molekulunun quruluşu
Fenol molekulunda hidroksil birbaşa benzol aromatik halqasının karbon atomu ilə bağlıdır.
Fenol molekulunu meydana gətirən atom qruplarının quruluşunu xatırlayaq.
Aromatik halqa altı karbon atomundan ibarətdir müntəzəm altıbucaqlı, altı karbon atomunun elektron orbitallarının sp 2 hibridləşməsinə görə. Bu atomlar Þ bağları ilə bağlanır. Þ rabitəsi müstəvisinin əks tərəflərində üst-üstə düşən, s bağlarının əmələ gəlməsində iştirak etməyən hər bir karbon atomunun p-elektronları tək altı elektronlu iki hissəni təşkil edir. P-bütün benzol halqasını (aromatik nüvəni) əhatə edən bulud. C6H6 benzol molekulunda aromatik halqa tamamilə simmetrikdir, tək elektron P-bulud molekul müstəvisinin altında və üstündə karbon atomlarının halqasını bərabər şəkildə əhatə edir (şək. 24). Hidroksil radikalının oksigen və hidrogen atomları arasındakı kovalent bağ yüksək qütblüdür, O-H bağının ümumi elektron buludu qismən mənfi yükün yarandığı oksigen atomuna, hidrogen atomunda isə qismən müsbət yükə doğru sürüşür. . Bundan əlavə, hidroksil qrupundakı oksigen atomunun yalnız özünə aid olan iki tək elektron cütü var.

Fenol molekulunda hidroksil radikalı aromatik halqa ilə, oksigen atomunun tək elektron cütləri isə benzol halqasının tək TC buludu ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və vahid elektron sistem yaradır. Tək elektron cütlərinin və π bağlarının buludlarının bu qarşılıqlı təsiri konyuqasiya adlanır. Hidroksi qrupunun oksigen atomunun tək elektron cütünün konjuqasiyası nəticəsində elektron sistem benzol halqası, oksigen atomu üzərində elektron sıxlığı azalır. Bu azalma O-H bağının daha çox qütbləşməsi ilə kompensasiya olunur ki, bu da öz növbəsində hidrogen atomunda müsbət yükün artmasına səbəb olur. Beləliklə, fenol molekulunda hidroksil qrupunun hidrogeni "turşu" xarakter daşıyır.
Benzol halqasının və hidroksil qrupunun elektronlarının birləşməsinin təkcə onun xassələrinə deyil, həm də benzol halqasının reaktivliyinə təsir etdiyini düşünmək məntiqlidir.
Əslində, xatırladığınız kimi, oksigen atomunun tək cütlərinin benzol halqasının l-buludunun konjuqasiyası, içindəki elektron sıxlığının yenidən paylanmasına səbəb olur. OH qrupu ilə əlaqəli karbon atomunda azalır (oksigen atomunun elektron cütlərinin təsiri ilə) və qonşu karbon atomlarında (yəni, 2 və 6 mövqeləri və ya orto mövqelərdə) artır. Aydındır ki, benzol halqasının bu karbon atomlarının elektron sıxlığının artması onlarda mənfi yükün lokallaşmasına (konsentrasiyasına) səbəb olur. Bu yükün təsiri altında aromatik nüvədə elektron sıxlığının daha da yenidən bölüşdürülməsi baş verir - onun 3-cü və 5-ci atomlardan (meta mövqe) 4-cü yerə (orto mövqe) yerdəyişməsi. Bu proseslər diaqramla ifadə edilə bilər:

Beləliklə, fenol molekulunda hidroksil radikalının olması benzol halqasının l-buludunun dəyişməsinə, 2, 4 və 6-cı karbon atomlarında (orto-, dara-mövqeyində) elektron sıxlığının artmasına səbəb olur. 3-cü və 5-ci karbon atomlarında (meta mövqelərdə) elektron sıxlığının azalması.
Orto və para mövqelərində elektron sıxlığının lokalizasiyası digər maddələrlə qarşılıqlı əlaqədə olduqda onların elektrofil növlərin hücumuna məruz qalma ehtimalını artırır.
Deməli, fenol molekulunu təşkil edən radikalların təsiri qarşılıqlıdır və onun xarakterik xüsusiyyətlərini müəyyən edir.
Fenolun kimyəvi xassələri
Turşu xassələri
Artıq qeyd edildiyi kimi, fenolun hidroksil qrupunun hidrogen atomu təbiətdə turşudur. Fenolun turşu xassələri su və spirtlərə nisbətən daha qabarıqdır. Alkoqol və sudan fərqli olaraq, fenol təkcə onunla deyil, həm də reaksiya verir qələvi metallar, həm də fenolatların əmələ gəlməsi ilə qələvilərlə.
Bununla belə, fenolların turşu xassələri qeyri-üzvi və karboksilik turşulara nisbətən daha az ifadə edilir. Məsələn, fenolun turşu xüsusiyyətləri karbon turşusundan təxminən 3000 dəfə azdır. Buna görə də, natrium fenolatın sulu məhluldan keçməsi karbon qazı, sərbəst fenol təcrid edilə bilər:

Natrium fenolatın sulu məhluluna xlorid və ya sulfat turşusunun əlavə edilməsi də fenolun əmələ gəlməsinə səbəb olur.
Fenola keyfiyyət reaksiyası
Fenol dəmir (III) xlorid ilə reaksiyaya girərək intensiv rəngli olur bənövşəyi mürəkkəb əlaqə.
Bu reaksiya onu çox az miqdarda da aşkarlamağa imkan verir. Benzol halqasında bir və ya daha çox hidroksil qrupu olan digər fenollar da dəmir (III) xlorid ilə reaksiyaya girdikdə parlaq mavi-bənövşəyi rəng verir.
Benzol halqası reaksiyaları
Bir hidroksil əvəzedicisinin olması benzol halqasında elektrofilik əvəzetmə reaksiyalarının baş verməsini çox asanlaşdırır.
1. Fenolun bromlaşdırılması. Benzoldan fərqli olaraq, fenolun bromlaşdırılması katalizatorun (dəmir (III) bromid) əlavə edilməsini tələb etmir.
Bundan əlavə, fenol ilə qarşılıqlı təsir seçici şəkildə davam edir: brom atomları orada yerləşən hidrogen atomlarını əvəz edərək orto və para mövqelərinə yönəldilir. Əvəzetmənin seçiciliyi yuxarıda müzakirə olunan xüsusiyyətlərlə izah olunur elektron quruluş fenol molekulları. Beləliklə, fenol bromlu su ilə reaksiya verdikdə 2,4,6-tribromofenoldan ibarət ağ çöküntü əmələ gəlir.
Bu reaksiya, dəmir (III) xlorid ilə reaksiya kimi, fenolun keyfiyyətcə aşkarlanmasına xidmət edir.

2. Fenolun nitrasiyası da benzolun nitrlənməsindən daha asan baş verir. Seyreltilmiş nitrat turşusu ilə reaksiya otaq temperaturunda baş verir. Nəticədə nitrofenolun orto- və para-izomerlərinin qarışığı əmələ gəlir:

3. Fenolun aromatik halqasının katalizatorun iştirakı ilə hidrogenləşməsi asanlıqla baş verir.
4. Fenolun aldehidlərlə, xüsusən də formaldehidlə polikondensasiyası reaksiya məhsullarının - fenol-formaldehid qatranlarının və bərk polimerlərin əmələ gəlməsi ilə baş verir.
Fenolun formaldehidlə qarşılıqlı təsirini aşağıdakı sxemlə təsvir etmək olar:

Yəqin ki, dimer molekulunda “mobil” hidrogen atomlarının saxlandığını görmüsünüz, yəni kifayət qədər miqdarda reagent olduqda reaksiya daha da davam edə bilər.
Polikondensasiya reaksiyası, yəni aşağı molekulyar ağırlıqlı əlavə məhsulun (suyun) ayrılması ilə baş verən polimerin əmələ gəlməsi reaksiyası nəhəng makromolekulların əmələ gəlməsi ilə daha da davam edə bilər (reagentlərdən biri tamamilə tükənənə qədər). . Prosesi təsvir etmək olar xülasə tənliyi:

Xətti molekulların əmələ gəlməsi adi temperaturda baş verir. Qızdırıldıqda bu reaksiyanın aparılması nəticədə alınan məhsulun budaqlanmış quruluşa malik olmasına, bərk və suda həll olunmamasına səbəb olur. Xətti fenol-formaldehid qatranının artıq aldehidlə qızdırılması nəticəsində unikal xüsusiyyətlərə malik sərt plastik kütlələr alınır. Fenol-formaldehid qatranlarına əsaslanan polimerlər lak və boyaların, istiliyə, soyumağa, suya, qələvilərə və turşulara davamlı plastik məmulatların istehsalı üçün istifadə olunur, yüksək dielektrik xüsusiyyətlərə malikdir. Ən məsuliyyətli və mühüm detallar elektrik cihazları, korpuslar güc blokları və maşın hissələri, polimer bazası çap dövrə lövhələri radio cihazları üçün.

Fenol-formaldehid qatranlarına əsaslanan yapışdırıcılar, çox geniş bir temperatur diapazonunda ən yüksək birləşmə gücünü saxlayaraq, müxtəlif təbiətin hissələrini etibarlı şəkildə birləşdirməyə qadirdir. Bu yapışqan işıqlandırma lampalarının metal əsasını bir şüşə lampaya yapışdırmaq üçün istifadə olunur. İndi fenol və ona əsaslanan məhsulların niyə geniş istifadə edildiyini başa düşürsünüz (Sxem 8).

Hidrogen atomu digər elementlərin atomları ilə müqayisədə ən sadə quruluşa malikdir: bir protondan ibarətdir.

atom nüvəsini əmələ gətirir və ls orbitalında yerləşən bir elektron. Hidrogen atomunun unikallığı ondan ibarətdir ki, onun yeganə valent elektronu digər elektronlar tərəfindən qorunmadığı üçün birbaşa atom nüvəsinin fəaliyyət sahəsində yerləşir. Bu onu xüsusi xüsusiyyətlərlə təmin edir. Kimyəvi reaksiyalarda elektrondan imtina edərək H + kationını (qələvi metal atomları kimi) əmələ gətirə bilər və ya H-anionunu (halogen atomları kimi) yaratmaq üçün tərəfdaşdan elektron birləşdirə bilər. Buna görə də dövri cədvəldə hidrogen tez-tez IA qrupuna, bəzən VIIA qrupuna yerləşdirilir, lakin hidrogenin dövri cədvəlin heç bir qrupuna aid olmadığı variant cədvəlləri var.

Hidrogen molekulu iki atomludur - H2. Hidrogen bütün qazların ən yüngülidir. H2 molekulunun qeyri-polyarlığına və yüksək gücünə görə (E St.= 436 kJ/mol) normal şəraitdə hidrogen yalnız flüorla, işıqlandırma altında isə xlor və bromla aktiv şəkildə qarşılıqlı təsir göstərir. Qızdırıldıqda bir çox qeyri-metallarla, xlor, brom, oksigen, kükürdlə reaksiya verir, azaldıcı xüsusiyyətlər nümayiş etdirir və qələvi və qələvi torpaq metalları ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda oksidləşdirici maddədir və bu metalların hidridlərini əmələ gətirir:

Bütün orqanogenlər arasında hidrogen ən aşağı nisbi elektronmənfiliyə malikdir (0E0 = 2.1), buna görə də təbii birləşmələrdə hidrogen həmişə +1 oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirir. Kimyəvi termodinamikanın mövqeyinə görə, su olan canlı sistemlərdə hidrogen nə molekulyar hidrogen (H 2), nə də hidrid ionu (H ~) əmələ gətirə bilməz. Normal şəraitdə molekulyar hidrogen kimyəvi cəhətdən qeyri-aktiv və yüksək uçucudur, buna görə də orqanizm tərəfindən saxlanıla və maddələr mübadiləsində iştirak edə bilməz. Hidrid ionu kimyəvi cəhətdən son dərəcə aktivdir və dərhal molekulyar hidrogen əmələ gətirmək üçün çox az miqdarda su ilə reaksiya verir. Buna görə də, bədəndə hidrogen ya digər orqanogenlərlə birləşmələr şəklində, ya da H + kation şəklində olur.

Hidrogen yalnız orqanogen elementlərlə kovalent bağlar əmələ gətirir. Qütblük dərəcəsinə görə bu bağlar aşağıdakı cərgədə düzülür:

Bu sıra təbii birləşmələrin kimyası üçün çox vacibdir, çünki bu bağların polaritesi və qütbləşmə qabiliyyəti birləşmələrin turşu xassələrini, yəni protonun əmələ gəlməsi ilə dissosiasiyanı müəyyən edir.

Turşu xassələri. Elementin əmələ gəlməsinin təbiətindən asılı olaraq X-H bağlantısı, 4 növ turşu var:

OH-turşuları (karboksilik turşular, fenollar, spirtlər);

SH-turşuları (tiollar);

NH-turşuları (amidlər, imidlər, aminlər);

CH turşuları (karbohidrogenlər və onların törəmələri).

Yüksək qütbləşmə qabiliyyətini nəzərə alaraq S-H əlaqələri Aşağıdakı sıra turşuları dissosiasiya qabiliyyətinə görə tərtib etmək olar:

Sulu mühitdə hidrogen kationlarının konsentrasiyası onun turşuluğunu müəyyən edir, bu hidrogen indeksi pH = -log (Bölmə 7.5) ilə ifadə edilir. Bədənin əksər fizioloji mühitləri neytrala yaxın reaksiyaya malikdir (pH = 5,0-7,5), yalnız mədə şirəsində pH = 1,0-2,0 var. Bu, bir tərəfdən, qida ilə mədəyə daxil olan bir çox mikroorqanizmləri öldürərək, antimikrobiyal təsir göstərir; digər tərəfdən, turşu mühit zülalların, polisaxaridlərin və digər biosubstratların hidrolizində katalitik təsir göstərir, lazımi metabolitlərin istehsalına kömək edir.

Redoks xüsusiyyətləri. Yüksək müsbət yük sıxlığına görə hidrogen kationu kifayət qədər güclü oksidləşdirici maddədir (φ° = 0 V), turşular və su ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda aktiv və aralıq aktiv metalları oksidləşdirir:

Canlı sistemlərdə belə güclü reduksiyaedici maddələr yoxdur və neytral mühitdə (pH = 7) hidrogen kationlarının oksidləşmə qabiliyyəti əhəmiyyətli dərəcədə azalır (φ ° = -0,42 V). Buna görə bədəndə hidrogen kationu oksidləşdirici xüsusiyyətlər nümayiş etdirmir, lakin başlanğıc maddələrin reaksiya məhsullarına çevrilməsini təşviq edən redoks reaksiyalarında fəal iştirak edir:

Verilən bütün nümunələrdə hidrogen atomları oksidləşmə vəziyyətini +1 dəyişməmişdir.

Azaldıcı xüsusiyyətlər molekulyar və xüsusilə atom hidrogeninə, yəni təkamül anında birbaşa reaksiya mühitində hidrogenə, həmçinin hidrid ionuna xasdır:

Lakin canlı sistemlərdə belə reduksiyaedici maddələr (H2 və ya H-) yoxdur və buna görə də belə reaksiyalar yoxdur. Ədəbiyyatda, o cümlədən dərsliklərdə hidrogenin üzvi birləşmələrin reduksiyaedici xassələrinin daşıyıcısı olması ilə bağlı fikirlər həqiqətə uyğun gəlmir; Beləliklə, canlı sistemlərdə biosubstratların reduksiyaedici agenti koenzim dehidrogenazın reduksiya edilmiş formasıdır ki, burada elektron donor hidrogen atomları deyil, karbon atomlarıdır (Bölmə 9.3.3).

Kompleksləşdirici xüsusiyyətlər. Hidrogen kationunda sərbəst atom orbitalının olması və H + kationunun özünün yüksək qütbləşdirici təsiri sayəsində aktiv kompleks əmələ gətirən iondur. Beləliklə, sulu mühitdə hidrogen kationu hidronium ionu H3O +, ammonyakın iştirakı ilə isə ammonium ionu NH4 əmələ gətirir:

Tərəfdaşlar yaratmaq meyli. Hidrogen atomları yüksək qütblüdür O-H əlaqələri və N--H hidrogen bağları əmələ gətirir (Bölmə 3.1). Hidrogen bağının gücü (10-100 kJ/mol) lokallaşdırılmış yüklərin böyüklüyündən və hidrogen bağının uzunluğundan, yəni onun əmələ gəlməsində iştirak edən elektronmənfi elementlərin atomları arasındakı məsafədən asılıdır. Aşağıdakı hidrogen bağlarının uzunluqları, pm, amin turşuları, karbohidratlar, zülallar və nuklein turşuları üçün xarakterikdir:

Hidrogen bağları sayəsində substratla ferment arasında, təbii polimerlərdə ayrı-ayrı qruplar arasında onların ikinci, üçüncü və dördüncü quruluşunu təyin edən geri çevrilən molekullararası qarşılıqlı təsirlər yaranır (Bölmə 21.4, 23.4). Suyun həlledici və reagent kimi xassələrində hidrogen bağı aparıcı rol oynayır.

Su və onun xüsusiyyətləri. Su ən vacib hidrogen birləşməsidir. Bədəndəki bütün kimyəvi reaksiyalar yalnız sulu mühitdə baş verir, susuz həyat mümkün deyil. Bölmədə həlledici kimi su nəzərə alındı. 6.1.

Turşu əsas xüsusiyyətləri. Turşu-qələvi xassələri baxımından reagent kimi su əsl amfolitdir (Bölmə 8.1). Bu, həm duzların hidrolizi zamanı (Bölmə 8.3.1), həm də sulu mühitdə turşuların və əsasların dissosiasiyası zamanı özünü göstərir (Bölmə 8.3.2).

Turşuluğun kəmiyyət xüsusiyyətləri su mühitləri pH dəyəridir.

Su turşu əsaslı reagent kimi biosubstratların hidroliz reaksiyalarında iştirak edir. Məsələn, adenozin trifosfatın hidrolizi orqanizm üçün yığılmış enerji mənbəyi kimi xidmət edir, lazımsız zülalların fermentativ hidrolizi zəruri zülalların sintezi üçün başlanğıc material olan amin turşularının alınmasına xidmət edir. Bu halda, H+ kationları və ya OH-anionları biosubstratların hidroliz reaksiyaları üçün turşu əsaslı katalizatorlardır (Bölmə 21.4, 23.4).

Redoks xüsusiyyətləri. Su molekulunda həm hidrogen, həm də oksigen sabit oksidləşmə vəziyyətindədir. Buna görə də su açıq-aşkar redoks xüsusiyyətlərini nümayiş etdirmir. Redoks reaksiyaları suyun yalnız çox aktiv reduksiyaedicilər və ya çox aktiv oksidləşdirici maddələrlə qarşılıqlı əlaqəsi olduqda və ya reagentlərin güclü aktivləşməsi şəraitində mümkündür.

Güclü reduksiyaedicilərlə, məsələn, qələvi və qələvi torpaq metalları və ya onların hidridləri ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda su hidrogen kationlarına görə oksidləşdirici maddə ola bilər:

Yüksək temperaturda su daha az aktiv azaldıcı maddələrlə qarşılıqlı təsir göstərə bilər:

Canlı sistemlərdə onların tərkib hissəsi olan su heç vaxt oksidləşdirici maddə rolunu oynamır, çünki bu, molekulyar hidrogenin orqanizmlərdən geri dönməz şəkildə çıxarılması və əmələ gəlməsi səbəbindən bu sistemlərin məhvinə səbəb olacaqdır.

Su, məsələn, flüor kimi güclü oksidləşdirici maddə ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda, oksigen atomlarına görə azaldıcı agent kimi çıxış edə bilər:

İşığın təsiri altında və xlorofilin iştirakı ilə sudan O2 əmələ gəlməsi ilə bitkilərdə fotosintez prosesi baş verir (Bölmə 9.3.6):

İstisna birbaşa iştirak redoks çevrilmələrində su və onun dissosiasiya məhsulları H+ və OH- yüksək qütblülüyünə (=79) və əmələ gətirdiyi ionların ilkin maddələrin çevrilməsində iştirakına görə bir çox redoks reaksiyalarının baş verməsini asanlaşdıran mühit kimi iştirak edir. sonlara (bölmə 9.1).

Kompleksləşdirici xüsusiyyətlər. Su molekulu, oksigen atomunda iki tək elektron cütünün olması səbəbindən kifayət qədər aktiv monodentat liqanddır, hidrogen kationu ilə kompleks oksonium ion H 3 0 + və suda metal kationları ilə kifayət qədər sabit su kompleksləri təşkil edir. məhlullar, məsələn [Ca(H 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+. Bu mürəkkəb ionlarda düyün molekulları kompleksləşdirici maddələrlə kifayət qədər sıx şəkildə kovalent bağlıdır. Qələvi metal kationları su kompleksləri yaratmır, elektrostatik qüvvələr hesabına hidratlanmış kationlar əmələ gətirir. Bu kationların hidrasiya qabıqlarında su molekullarının qalma müddəti 0,1 s-dən çox deyil və onların tərkibi su molekullarının sayından asılı olaraq asanlıqla dəyişə bilir.

Tərəfdaşlar yaratmaq meyli. Elektrostatik qarşılıqlı əlaqəni və hidrogen bağlarının əmələ gəlməsini təşviq edən yüksək polariteye görə su molekulları, hətta təmiz suda da (Bölmə 6.1) strukturuna, molekulların sayına və assosiativlərdə oturaq həyat müddətinə görə fərqlənən molekullararası assosiasiyalar əmələ gətirir. , eləcə də tərəfdaşların özlərinin ömrü. Beləliklə, təmiz su açıq kompleksdir dinamik sistem. Xarici amillərin təsiri altında: radioaktiv, ultrabənövşəyi və lazer şüalanması, elastik dalğalar, temperatur, təzyiq, süni və təbii mənbələrdən (kosmos, Günəş, Yer, canlı cisimlər) elektrik, maqnit və elektromaqnit sahələri - su öz struktur və informasiya xassələrini dəyişir. , nəticədə onun bioloji və fizioloji funksiyaları dəyişir.

Öz-özünə assosiasiyaya əlavə olaraq, su molekulları ionları, qütb molekullarını və makromolekulları hidratlayır, onların ətrafında nəmləndirici qabıqlar əmələ gətirir, bununla da onları məhlulda sabitləşdirir və həllini təşviq edir (Bölmə 6.1). Molekulları qeyri-qütblü və nisbətən malik olan maddələr kiçik ölçülər, suda yalnız bir qədər həll oluna bilir, həmsöhbətlərinin boşluqlarını müəyyən bir quruluşla doldurur. Bu halda, hidrofobik qarşılıqlı təsir nəticəsində qeyri-qütblü molekullar ətrafdakı nəmləndirici qabığı strukturlaşdırır, onu adətən bu qeyri-qütblü molekulun yerləşdiyi buz kimi strukturu olan strukturlaşdırılmış assosiasiyaya çevirir.

Canlı orqanizmlərdə suyun iki kateqoriyasını ayırd etmək olar - "bağlanmış" və "sərbəst"; sonuncusu, görünür, yalnız hüceyrələrarası mayedə olur (Bölmə 6.1). Bağlanmış su, öz növbəsində, "strukturlu" (güclü bağlı) və "dağıdılmış" (zəif bağlı və ya boş) suya bölünür. Yəqin ki, yuxarıda göstərilən bütün xarici amillər bədəndəki suyun vəziyyətinə təsir göstərir, nisbətləri dəyişdirir: "strukturlaşdırılmış" / "dağıdılmış" və "bağlanmış" / "sərbəst" su, həmçinin onun struktur və dinamik parametrləri. Bu, bədənin fizioloji vəziyyətindəki dəyişikliklərdə özünü göstərir. Mümkündür ki, hüceyrədaxili su davamlı olaraq, əsasən zülallarla tənzimlənən "strukturlaşdırılmış" vəziyyətdən "dağıdılmış" vəziyyətə pulsasiya edən keçidlərdən keçir. Bu keçidlər xərclənmiş metabolitlərin (tullantıların) hüceyrədən xaric edilməsi və lazımi maddələrin udulması ilə bir-birinə bağlıdır. Müasir nöqteyi-nəzərdən su vahid hüceyrədaxili quruluşun formalaşmasında iştirak edir, bunun sayəsində həyati proseslərin nizamlılığına nail olunur. Buna görə də A.Szent-Györgyi-nin obrazlı ifadəsinə görə, bədəndəki su “həyatın matrisidir”.

Təbiətdəki su. Su Yerdəki ən vacib və bol maddədir. Yer kürəsinin səthi 75% su ilə örtülüdür. Dünya Okeanının həcmi 1,4 milyard km3 təşkil edir. Eyni miqdarda su minerallarda kristallaşma suyu şəklində olur. Atmosferdə 13 min km 3 su var. Eyni zamanda, içməli və məişət ehtiyacları üçün yararlı olan şirin su ehtiyatları kifayət qədər məhduddur (bütün şirin su anbarlarının həcmi 200 min km3-dir). Təzə su, gündəlik həyatda istifadə edilən, 0,05-dən 1 q/l-ə qədər müxtəlif çirkləri ehtiva edir, ən çox bunlar duzlardır: bikarbonatlar, xloridlər, sulfatlar, o cümlədən həll olunan kalsium və maqnezium duzları, mövcudluğu suyu sərtləşdirir (Bölmə 14.3). Hal-hazırda suyun qorunması və təmizlənməsi Çirkab suən aktual ekoloji problemlərdir.

Adi suda təxminən 0,02% ağır su D2O (D - deuterium) var. Adi suyun buxarlanması və ya elektrolizi zamanı yığılır. Ağır su zəhərlidir. Canlı orqanizmlərdə suyun hərəkətini öyrənmək üçün ağır sudan istifadə edilir. Onun köməyi ilə müəyyən edilmişdir ki, bəzi bitkilərin toxumalarında suyun hərəkət sürəti 14 m/saata çatır və insanın içdiyi su 2 saat ərzində onun bütün orqan və toxumalarına tam paylanır və yalnız orqanizmdən tamamilə xaric olur. iki həftə sonra. Canlı orqanizmlər bütün həyat proseslərinin əvəzsiz iştirakçısı olan 50-93% sudan ibarətdir. Su olmadan həyat mümkün deyil. 70 il ömür sürən insan qida və içki ilə təxminən 70 ton su istehlak edir.

Elmi və tibbi praktikada geniş istifadə olunur distillə edilmiş su- rəngsiz, şəffaf maye, qoxusuz və dadsız, pH = 5,2-6,8. Bu, bir çox dozaj formalarının hazırlanması üçün farmakopeya dərmanıdır.

Enjeksiyon üçün su(pirogensiz su) həm də farmakopeya dərmanıdır. Bu suyun tərkibində pirojen maddələr yoxdur. Pirojenlər bakterial mənşəli maddələrdir - bakteriyaların metabolitləri və ya tullantı məhsulları, bədənə daxil olduqda titrəmə, qızdırma, baş ağrısı və ürək-damar fəaliyyətinin pozulmasına səbəb olur. Pirojensiz su aseptik şəraitdə ikiqat distillə (bidistillat) yolu ilə hazırlanır və 24 saat ərzində istifadə olunur.

Bu bölməni yekunlaşdıraraq, biogen element kimi hidrogenin xüsusiyyətlərini vurğulamaq lazımdır. Canlı sistemlərdə hidrogen həmişə +1 oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirir və ya digər biogen elementlərlə qütb kovalent əlaqə ilə, ya da H + kationu şəklində tapılır. Hidrogen kationu turşu xassələrinin daşıyıcısıdır və digər orqanogenlərin atomlarının sərbəst elektron cütləri ilə qarşılıqlı əlaqədə olan aktiv kompleksləşdirici agentdir. Redoks xassələri nöqteyi-nəzərindən, bədən şəraitində bağlı hidrogen nə oksidləşdirici, nə də reduksiyaedici xassələri nümayiş etdirmir, lakin hidrogen kationu oksidləşmə vəziyyətini dəyişmədən bir çox redoks reaksiyalarında fəal iştirak edir, lakin onun əmələ gəlməsini asanlaşdırır. biosubstratların reaksiya məhsullarına çevrilməsi. Elektromənfi elementlərlə bağlanan hidrogen hidrogen bağları əmələ gətirir.

Mühazirə 29

hidrogen. Su

Mühazirənin xülasəsi:

Su. Kimyəvi və fiziki xassələri

Hidrogen və suyun təbiətdəki rolu

Hidrogen kimyəvi element kimi

Hidrogen D.I.Mendeleyevin dövri cədvəlinin yeganə elementidir, yeri qeyri-müəyyəndir. Onun kimyəvi simvolu dövri cədvəldə iki dəfə yazılır: həm IA, həm də VIIA qruplarında. Bu, hidrogenin onu həm qələvi metallarla, həm də halogenlərlə birləşdirən bir sıra xassələrə malik olması ilə izah olunur (Cədvəl 14).

Cədvəl 14

Hidrogenin xassələrinin qələvi metalların və halogenlərin xassələri ilə müqayisəsi

Qələvi metallarla oxşarlıqlar	Halojenlərə oxşarlıq
Xarici enerji səviyyəsində hidrogen atomları bir elektrondan ibarətdir. Hidrogen bir elementdir	Xarici və yeganə səviyyənin tamamlanmasından əvvəl, halogen atomları kimi hidrogen atomlarında bir elektron yoxdur.
Hidrogen azaldıcı xüsusiyyətlər nümayiş etdirir. Oksidləşmə nəticəsində hidrogen ən çox onun birləşmələrində +1 olan oksidləşmə vəziyyətini alır	Hidrogen, halogenlər kimi, qələvi və qələvi torpaq metalları ilə birləşmələrdə -1 oksidləşmə vəziyyətinə malikdir, bu da onun oksidləşdirici xüsusiyyətlər.
Güman edilir ki, kosmosda metal kristal qəfəsli bərk hidrogen var.	Flüor və xlor kimi, hidrogen də normal şəraitdə qazdır. Onun molekulları, halogen molekulları kimi, diatomikdir və kovalent qeyri-polar bağ vasitəsilə əmələ gəlir.

Təbiətdə hidrogen kütlə nömrələri 1, 2 və 3 olan üç izotop şəklində mövcuddur: protium 1 1 H, deuterium 2 1 D və tritium 3 1 T. İlk ikisi sabit izotoplar, üçüncüsü isə radioaktivdir. İzotopların təbii qarışığında protium üstünlük təşkil edir. H: D: T izotopları arasında kəmiyyət nisbətləri 1: 1,46 10 -5: 4,00 10 -15-dir.

Hidrogen izotoplarının birləşmələri xassələrinə görə bir-birindən fərqlənir. Məsələn, yüngül protium suyunun qaynama və donma nöqtələri (H 2 O) müvafiq olaraq – 100 o C və 0 o C, deyterium suyu (D 2 O) – 101,4 o C və 3,8 o C-ə bərabərdir. yüngül su ağır sudan yüksəkdir.

Kainatda hidrogen ən çox yayılmış elementdir - Kainatın kütləsinin təxminən 75% -ni və ya bütün atomlarının 90% -dən çoxunu təşkil edir. Hidrogen Yerin ən vacib geoloji qabığında - hidrosferdə suyun bir hissəsidir.

Hidrogen, karbonla birlikdə bütün üzvi maddələr əmələ gətirir, yəni Yerin canlı qabığının - biosferin bir hissəsidir. Yer qabığında - litosferdə - hidrogenin kütləsi cəmi 0,88% təşkil edir, yəni bütün elementlər arasında 9-cu yeri tutur. Yerin hava qabığı - atmosfer molekulyar hidrogenin payı olan ümumi həcmin milyonda birindən azını ehtiva edir. O, yalnız yuxarı atmosferdə tapılır.

Hidrogenin istehsalı və istifadəsi

Hidrogen ilk dəfə 16-cı əsrdə orta əsr həkimi və kimyaçısı Paracelsus tərəfindən dəmir lövhəni suya batıraraq əldə edilmişdir. sulfat turşusu, və 1766-cı ildə ingilis kimyaçısı Henri Kavendiş sübut etdi ki, hidrogen təkcə dəmirin sulfat turşusu ilə deyil, həm də digər metalların digər turşularla qarşılıqlı təsiri nəticəsində əmələ gəlir. Cavendish də ilk dəfə hidrogenin xüsusiyyətlərini təsvir etmişdir.

IN laboratoriya şəraitdə hidrogen əldə edilir:

1. Metalların turşu ilə qarşılıqlı təsiri:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. Qələvi və qələvi torpaq metallarının su ilə qarşılıqlı təsiri

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

IN sənaye Hidrogen aşağıdakı yollarla alınır:

1. Duzların, turşuların və qələvilərin sulu məhlullarının elektrolizi.Ən çox istifadə edilən həll süfrə duzu:

2NaCl + 2H 2 O →el. cari H 2 + Cl 2 + NaOH

2. İsti koks ilə su buxarının azaldılması:

C + H 2 O → t CO + H 2

Nəticədə karbon monoksit və hidrogen qarışığı deyilir su qazı (sintez qazı), və müxtəlif kimyəvi məhsulların (ammiak, metanol və s.) sintezi üçün geniş istifadə olunur. Hidrogeni su qazından ayırmaq üçün dəm su buxarı ilə qızdırıldıqda karbon qazına çevrilir:

CO + H 2 → t CO 2 + H 2

3. Metan qızdırılır su buxarının və oksigenin iştirakı ilə. Bu üsul hazırda əsasdır:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

Hidrogen aşağıdakılar üçün geniş istifadə olunur:

1. ammonyak və hidrogen xloridin sənaye sintezi;

2. sintez qazının bir hissəsi kimi metanol və sintetik maye yanacaq əldə etmək (2 həcm hidrogen və 1 həcm CO);

3. neft fraksiyalarının hidrotəmizlənməsi və hidrokrekinqi;

4. maye yağların hidrogenləşdirilməsi;

5. metalların kəsilməsi və qaynaqlanması;

6. onların oksidlərindən volfram, molibden və renium alınması;

7. kosmik mühərriklər yanacaq kimi.

8. Termonüvə reaktorlarında yanacaq kimi hidrogen izotoplarından istifadə olunur.

Hidrogenin fiziki və kimyəvi xassələri

Hidrogen rəngsiz, dadsız və qoxusuz qazdır. №-də sıxlıq. 0,09 q/l (havadan 14 dəfə yüngül). Hidrogen suda zəif həll olunur (100 həcmdə suya cəmi 2 həcm qaz), lakin d-metallar - nikel, platin, palladium tərəfindən yaxşı mənimsənilir (bir həcm palladiumda 900 həcmə qədər hidrogen həll olunur).

Kimyəvi reaksiyalarda hidrogen həm azaldıcı, həm də oksidləşdirici xüsusiyyətlər nümayiş etdirir. Çox vaxt hidrogen azaldıcı agent kimi çıxış edir.

1. Qeyri-metallarla qarşılıqlı əlaqə. Hidrogen qeyri-metallarla uçucu hidrogen birləşmələri əmələ gətirir (bax: Mühazirə 25).

Halojenlərlə reaksiya sürəti və şərtləri flüordan yoda qədər dəyişir: flüorla hidrogen hətta qaranlıqda da partlayıcı reaksiya verir, xlor ilə reaksiya işıqla az şüalanma ilə kifayət qədər sakit gedir, brom və yod ilə reaksiyalar geri çevrilir və yalnız qızdırıldıqda baş verir:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + I 2 → t 2HI

Oksigenlə və kükürd hidrogen cüzi qızdırma ilə reaksiya verir. 1:2 nisbətində oksigen və hidrogen qarışığı adlanır partlayıcı qaz:

H 2 + O 2 → t H 2 O

H 2 + S → t H 2 S

Azot, fosfor və karbonla reaksiya istilik, yüksək təzyiq və katalizatorun iştirakı ilə baş verir. Reaksiyalar geri çevrilir:

3H 2 + N 2 → cat., p, t2NH 3

2H 2 + 3P → cat., p, t3PH 3

H 2 + C → cat., p, t CH 4

2. ilə qarşılıqlı əlaqə mürəkkəb maddələr. At yüksək temperatur Hidrogen metalları oksidlərindən azaldır:

CuO + H 2 → t Cu + H 2 O

3. At qələvi və qələvi torpaq metalları ilə qarşılıqlı əlaqə Hidrogen oksidləşdirici xüsusiyyətlərə malikdir:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. Üzvi maddələrlə qarşılıqlı əlaqə. Hidrogen bir çox üzvi maddələrlə aktiv şəkildə qarşılıqlı təsir göstərir, belə reaksiyalara hidrogenləşmə reaksiyaları deyilir. Bu cür reaksiyalar “Üzvi kimya” toplusunun III hissəsində daha ətraflı müzakirə olunacaq.

TƏrif

hidrogen– Dövri Cədvəlin birinci elementi kimyəvi elementlər DI. Mendeleyev. Simvol - N.

Atom kütləsi - 1 amu. Hidrogen molekulu iki atomludur - H2.

Hidrogen atomunun elektron konfiqurasiyası 1s 1-dir. Hidrogen s-element ailəsinə aiddir. Onun birləşmələrində -1, 0, +1 oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirir. Təbii hidrogen iki sabit izotopdan ibarətdir - protium 1H (99,98%) və deyterium 2H (D) (0,015%) və radioaktiv izotop tritium 3H (T) (iz miqdarı, yarı ömrü - 12,5 il) .

Hidrogenin kimyəvi xassələri

Adi şəraitdə molekulyar hidrogen nisbətən aşağı səviyyədədir reaktivlik, bu, molekuldakı bağların yüksək gücü ilə izah olunur. Qızdırıldıqda, əsas alt qrupların elementləri (nəcib qazlar, B, Si, P, Al istisna olmaqla) tərəfindən əmələ gələn demək olar ki, bütün sadə maddələrlə qarşılıqlı təsir göstərir. Kimyəvi reaksiyalarda həm azaldıcı (daha tez-tez), həm də oksidləşdirici (daha az) kimi çıxış edə bilər.

Hidrogen nümayiş etdirir azaldıcı agentin xüsusiyyətləri(H 2 0 -2e → 2H +) aşağıdakı reaksiyalarda:

1. Sadə maddələrlə - qeyri-metallarla qarşılıqlı təsir reaksiyaları. Hidrogen reaksiya verir halogenlərlə, üstəlik, normal şəraitdə, qaranlıqda, partlayışla, xlorla - zəncirvari mexanizmə uyğun olaraq işıqlandırma (və ya UV şüalanması) altında, brom və yod ilə yalnız qızdırılanda qarşılıqlı təsir reaksiyası; oksigen(2:1 həcm nisbətində oksigen və hidrogen qarışığı "partlayıcı qaz" adlanır), Boz, azot Və karbon:

H 2 + Hal 2 = 2HHal;

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 – 300C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Mürəkkəb maddələrlə qarşılıqlı təsir reaksiyaları. Hidrogen reaksiya verir aşağı aktiv metalların oksidləri ilə, və yalnız sinkin sağında fəaliyyət seriyasında olan metalları azaltmağa qadirdir:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O (t).

Hidrogen reaksiya verir qeyri-metal oksidləri ilə:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 – 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Hidrogen sikloalkanlar, alkenlər, arenlər, aldehidlər və ketonlar və s. sinfinin üzvi birləşmələri ilə hidrogenləşmə reaksiyalarına daxil olur. Bütün bu reaksiyalar istiliklə, təzyiq altında, platin və ya nikeldən katalizator kimi istifadə etməklə aparılır:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3.

hidrogen oksidləşdirici agent kimi(H 2 +2e → 2H -) qələvi və qələvi torpaq metalları ilə reaksiyalarda görünür. Bu vəziyyətdə hidridlər əmələ gəlir - hidrogenin -1 oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirən kristal ion birləşmələri.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Hidrogenin fiziki xassələri

Hidrogen yüngül, rəngsiz, qoxusuz, ətraf mühit şəraitində sıxlığı olan qazdır. – 0,09 q/l, havadan 14,5 dəfə yüngül, t qaynama = -252,8C, t pl = - 259,2C. Hidrogen suda və üzvi həlledicilərdə zəif həll olunur, bəzi metallarda çox həll olunur: nikel, palladium, platin.

Müasir kosmokimyaya görə, hidrogen Kainatda ən çox yayılmış elementdir. Hidrogenin mövcudluğunun əsas forması kosmos- fərdi atomlar. Hidrogen bütün elementlər arasında yer üzündə ən çox yayılmış 9-cu elementdir. Yerdəki hidrogenin əsas miqdarı bağlı vəziyyətdədir - su, neft, təbii qaz, kömür və s. kimi sadə maddə Hidrogen nadirdir - vulkanik qazların tərkibində.

Hidrogen istehsalı

Hidrogen əldə etmək üçün laboratoriya və sənaye üsulları var. Laboratoriya üsullarına metalların turşularla qarşılıqlı təsiri (1), həmçinin alüminiumun qələvilərin sulu məhlulları ilə qarşılıqlı təsiri (2) daxildir. Hidrogen istehsalının sənaye üsulları arasında qələvilərin və duzların sulu məhlullarının elektrolizi (3) və metanın çevrilməsi (4) mühüm rol oynayır:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Problemin həlli nümunələri

NÜMUNƏ 1

Məşq edin	23,8 q metal qalay artıq xlorid turşusu ilə reaksiya verdikdə 12,8 q metal mis almaq üçün kifayət qədər miqdarda hidrogen ayrıldı.Həmin birləşmədə qalayın oksidləşmə vəziyyətini təyin edin.
Həll	Kalay atomunun elektron strukturuna (...5s 2 5p 2) əsaslanaraq belə nəticəyə gəlmək olar ki, qalay iki oksidləşmə vəziyyəti ilə xarakterizə olunur - +2, +4. Buna əsaslanaraq, mümkün reaksiyalar üçün tənliklər yaradırıq: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 = Cu + H 2 O (3). Mis maddənin miqdarını tapaq: v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 mol. 3-cü tənliyə görə, hidrogen maddəsinin miqdarı: v(H 2) = v(Cu) = 0,2 mol. Qalayın kütləsini bilməklə onun miqdarını tapırıq: v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 mol. 1 və 2-ci tənliklərə və məsələnin şərtlərinə görə qalay və hidrogen maddələrinin miqdarını müqayisə edək: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (tənlik 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (tənlik 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (problem vəziyyəti). Buna görə də qalay 1-ci tənliyə uyğun olaraq xlorid turşusu ilə reaksiya verir və qalayın oksidləşmə vəziyyəti +2-dir.
Cavab verin	Kalayın oksidləşmə vəziyyəti +2-dir.

NÜMUNƏ 2

Məşq edin	18,7 ml 14,6% xlorid turşusuna (məhlulun sıxlığı 1,07 q/ml) 2,0 q sinkin təsiri ilə ayrılan qaz 4,0 q mis (II) oksidi qızdırdıqda keçib. Yaranan bərk qarışığın kütləsi nə qədərdir?
Həll	Sink hidroklor turşusu ilə reaksiya verdikdə hidrogen ayrılır: Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (1), bu, qızdırıldıqda mis (II) oksidini mis (2) halına gətirir: CuO + H 2 = Cu + H 2 O. Birinci reaksiyadakı maddələrin miqdarını tapaq: m(HCl məhlulu) = 18,7. 1,07 = 20,0 q; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 q; v (HCl) = 2,92/36,5 = 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Sink azdır, ona görə də sərbəst buraxılan hidrogen miqdarı: v(H 2) = v(Zn) = 0,031 mol. İkinci reaksiyada hidrogen çatışmazlığı yaranır, çünki: v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 mol. Reaksiya nəticəsində 0,031 mol CuO 0,031 mol Cu-ya çevriləcək və kütlə itkisi belə olacaq: m(СuО) – m(Сu) = 0,031×80 – 0,031×64 = 0,50 q. Hidrogen keçdikdən sonra CuO və Cu bərk qarışığının kütləsi: 4,0-0,5 = 3,5 q.
Cavab verin	CuO və Cu bərk qarışığının kütləsi 3,5 q-dır.

Kainatda ən çox yayılmış element hidrogendir. Ulduzlar məsələsində o, nüvə formasına - protonlara malikdir və termonüvə prosesləri üçün materialdır. Günəşin kütləsinin demək olar ki, yarısı da H 2 molekullarından ibarətdir. Yer qabığında onun miqdarı 0,15%-ə çatır, atomlar neftdə, təbii qazda və suda mövcuddur. Oksigen, azot və karbonla birlikdə Yerdəki bütün canlı orqanizmlərin bir hissəsi olan orqanogen elementdir. Məqaləmizdə hidrogenin fiziki və kimyəvi xassələrini öyrənəcəyik, sənayedə tətbiqinin əsas sahələrini və təbiətdəki əhəmiyyətini müəyyən edəcəyik.

Mendeleyevin kimyəvi elementlərin dövri cədvəlindəki yeri

Açılan ilk element Dövri Cədvəl- bu hidrogendir. Onun atom kütləsi 1.0079-dur. İki sabit izotop (protium və deuterium) və bir radioaktiv izotop (tritium) var. Fiziki xassələri qeyri-metalın kimyəvi elementlər cədvəlindəki yeri ilə müəyyən edilir. Normal şəraitdə hidrogen (düsturu H2) havadan demək olar ki, 15 dəfə yüngül olan bir qazdır. Elementin atomunun quruluşu unikaldır: o, yalnız bir nüvə və bir elektrondan ibarətdir. Maddənin molekulu diatomikdir, içindəki hissəciklər kovalent qeyri-qütb bağından istifadə edərək bağlanır. Onun enerji intensivliyi kifayət qədər yüksəkdir - 431 kJ. Bu, normal şəraitdə birləşmənin aşağı kimyəvi aktivliyini izah edir. Elektron düstur hidrogen: H:H.

Maddə digər qeyri-metallar arasında analoqu olmayan bir sıra xüsusiyyətlərə malikdir. Gəlin onlardan bəzilərinə nəzər salaq.

Həll qabiliyyəti və istilik keçiriciliyi

Metallar istiliyi ən yaxşı şəkildə keçirir, lakin hidrogen istilik keçiriciliyinə görə onlara yaxındır. Bu fenomenin izahı bir maddənin yüngül molekullarının istilik hərəkətinin çox yüksək sürətindədir, buna görə də hidrogen atmosferində qızdırılan bir obyekt havadan 6 dəfə daha sürətli soyuyur. Mürəkkəb metallarda yüksək dərəcədə həll oluna bilər; məsələn, demək olar ki, 900 həcm hidrogen bir həcm palladium tərəfindən udula bilər. Metallar hidrogenin oksidləşdirici xüsusiyyətlərinin təzahür etdiyi H2 ilə kimyəvi reaksiyalara girə bilər. Bu vəziyyətdə hidridlər əmələ gəlir:

2Na + H 2 =2 NaH.

Bu reaksiyada elementin atomları metal hissəciklərdən elektronları qəbul edərək tək mənfi yüklü anionlara çevrilirlər. Bu vəziyyətdə sadə maddə H2, adətən onun üçün xarakterik olmayan bir oksidləşdirici maddədir.

Hidrogen azaldıcı agent kimi

Metalları və hidrogeni birləşdirən təkcə onların yüksək istilik keçiriciliyi deyil, həm də atomlarının kimyəvi prosesləröz elektronlarından imtina edir, yəni oksidləşir. Məsələn, əsas oksidlər hidrogenlə reaksiya verir. Redoks reaksiyası təmiz metalın ayrılması və su molekullarının əmələ gəlməsi ilə başa çatır:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O.

Bir maddənin qızdırıldığı zaman oksigenlə qarşılıqlı təsiri də su molekullarının istehsalına səbəb olur. Proses ekzotermikdir və böyük miqdarda istilik enerjisinin buraxılması ilə müşayiət olunur. H 2 və O 2 qaz qarışığı 2: 1 nisbətində reaksiya verirsə, alovlananda partladığı üçün belə adlanır:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O.

Su Yerin hidrosferinin, iqliminin və hava şəraitinin formalaşmasında mühüm rol oynayır və mühüm rol oynayır. O, təbiətdə elementlərin dövranını təmin edir, orqanizmlərin - planetimizin sakinlərinin bütün həyat proseslərinə dəstək verir.

Qeyri-metallarla qarşılıqlı əlaqə

Hidrogenin ən mühüm kimyəvi xassələri onun qeyri-metal elementlərlə reaksiyasıdır. Normal şəraitdə onlar kifayət qədər kimyəvi cəhətdən təsirsizdirlər, buna görə də maddə yalnız halogenlərlə, məsələn, bütün qeyri-metallar arasında ən aktiv olan flüor və ya xlor ilə reaksiya verə bilər. Beləliklə, flüor və hidrogen qarışığı qaranlıqda və ya soyuqda, xlorla isə - qızdırıldığında və ya işıqda partlayır. Reaksiya məhsulları hidrogen halidləri olacaq, sulu məhlullar ftor və xlorid turşuları kimi tanınır. C 450-500 dərəcə temperaturda, 30-100 mPa təzyiqdə və katalizatorun iştirakı ilə qarşılıqlı təsir göstərir:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

Hidrogenin nəzərə alınan kimyəvi xüsusiyyətləri var böyük əhəmiyyət kəsb edir sənaye üçün. Məsələn, qiymətli kimyəvi məhsul əldə edə bilərsiniz - ammonyak. Nitrat turşusu və azot gübrələrinin istehsalı üçün əsas xammaldır: karbamid, ammonium nitrat.

Üzvi maddələr

Karbon və hidrogen arasında ən sadə karbohidrogen - metan istehsalına səbəb olur:

C + 2H 2 = CH 4.

Maddə təbiiin ən vacib komponentidir və üzvi sintez sənayesi üçün qiymətli yanacaq növü və xammal kimi istifadə olunur.

Karbon birləşmələrinin kimyasında element çoxlu sayda maddələrin bir hissəsidir: alkanlar, alkenlər, karbohidratlar, spirtlər və s. Üzvi birləşmələrin H 2 molekulları ilə bir çox reaksiyaları məlumdur. Geyinirlər ümumi ad- hidrogenləşdirmə və ya hidrogenləşdirmə. Beləliklə, aldehidlər hidrogenlə spirtlərə, doymamış karbohidrogenlərə - alkanlara qədər azaldıla bilər. Məsələn, etilen etana çevrilir:

C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6.

Hidrogenin hidrogenləşmə kimi kimyəvi xassələri böyük praktik əhəmiyyətə malikdir. maye yağlar: günəbaxan, qarğıdalı, kolza. Bu, qliserin, sabun, stearin və sərt marqarin istehsalında istifadə olunan bərk yağın - donuz piyinin istehsalına gətirib çıxarır. Təkmilləşdirmə üçün görünüş Və dad keyfiyyətləri ona qida məhsulu, süd, heyvan yağları, şəkər, vitaminlər əlavə edilir.

Məqaləmizdə hidrogenin xüsusiyyətlərini öyrəndik və onun təbiətdə və insan həyatındakı rolunu öyrəndik.