ไฮโดรเจนเป็นสารที่เป็นก๊าซ คุณสมบัติทางเคมีของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจน(lat. Hydrogenium), H, องค์ประกอบทางเคมี, ตัวแรกตามหมายเลขซีเรียลในระบบธาตุของ Mendeleev; มวลอะตอม 1.0079 ภายใต้สภาวะปกติ ไฮโดรเจนเป็นก๊าซ ไม่มีสี กลิ่น และรส

การกระจายไฮโดรเจนในธรรมชาติ ไฮโดรเจนมีการกระจายอย่างกว้างขวางในธรรมชาติ ปริมาณไฮโดรเจนในเปลือกโลก (ธรณีภาคและไฮโดรสเฟียร์) คือ 1% ของมวล และ 16% ของจำนวนอะตอม ไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งของสารที่พบมากที่สุดบนโลก - น้ำ (11.19% ไฮโดรเจนโดยมวล) ในสารประกอบที่ประกอบเป็นถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ดินเหนียว เช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตในสัตว์และพืช (นั่นคือในองค์ประกอบของ โปรตีน กรดนิวคลีอิก ไขมัน คาร์โบไฮเดรต ฯลฯ) ไฮโดรเจนมีน้อยมากในสภาวะอิสระ พบได้ในปริมาณเล็กน้อยในภูเขาไฟและก๊าซธรรมชาติอื่นๆ ปริมาณไฮโดรเจนอิสระจำนวนเล็กน้อย (0.0001% โดยจำนวนอะตอม) มีอยู่ในบรรยากาศ ในอวกาศใกล้โลก ไฮโดรเจนในรูปของโปรตอนจะก่อตัวเป็นแถบการแผ่รังสีภายใน ("โปรตอน") ของโลก ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในอวกาศ ในรูปของพลาสมา มันประกอบด้วยมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซของตัวกลางระหว่างดาวและเนบิวลาก๊าซ ไฮโดรเจนมีอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์จำนวนหนึ่งและในดาวหางในรูปของ H 2 อิสระ , มีเทน CH 4 , แอมโมเนีย NH 3 , น้ำ H 2 O , อนุมูลเช่น CH, NH, OH, SiH, PH เป็นต้น ไฮโดรเจนเข้ามาในรูปของโปรตอนฟลักซ์ในรังสีคอสมิกของดวงอาทิตย์และรังสีคอสมิก

ไอโซโทป อะตอม และโมเลกุลของไฮโดรเจน ไฮโดรเจนสามัญประกอบด้วยส่วนผสมของไอโซโทปที่เสถียร 2 ไอโซโทป: ไฮโดรเจนเบาหรือโปรเทียม (1 H) และไฮโดรเจนหนักหรือดิวเทอเรียม (2 H หรือ D) ในสารประกอบไฮโดรเจนตามธรรมชาติ มี 1 H โดยเฉลี่ย 6800 อะตอมต่อ 1 อะตอมของ 2 H ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่มีมวล 3 เรียกว่าไฮโดรเจน superheavy หรือไอโซโทป (3 H หรือ T) ที่มีการแผ่รังสี β อ่อน และครึ่งชีวิต T ½ = 12.262 ปี ในธรรมชาติไอโซโทปเกิดขึ้นจากไนโตรเจนในบรรยากาศภายใต้การกระทำของนิวตรอนรังสีคอสมิก มีเพียงเล็กน้อยในบรรยากาศ (4·10 -15% ของจำนวนอะตอมไฮโดรเจนทั้งหมด) ได้ไอโซโทป 4 H ที่ไม่เสถียรอย่างยิ่ง หมายเลขมวลของไอโซโทป 1 H, 2 H, 3 H และ 4 H ตามลำดับ 1, 2, 3 และ 4 บ่งชี้ว่านิวเคลียสของอะตอมโปรเทียมมีโปรตอนเพียงตัวเดียวคือดิวเทอเรียม - หนึ่งโปรตอนและหนึ่งนิวตรอน ทริเทียม - หนึ่งโปรตอนและ 2 นิวตรอน 4 H - หนึ่งโปรตอนและ 3 นิวตรอน ความแตกต่างอย่างมากในมวลของไอโซโทปของไฮโดรเจนทำให้เกิดความแตกต่างที่เห็นได้ชัดเจนในคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพวกมันมากกว่าในกรณีของไอโซโทปของธาตุอื่นๆ

อะตอมไฮโดรเจนมีโครงสร้างที่ง่ายที่สุดในบรรดาอะตอมของธาตุอื่นๆ ทั้งหมด ประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนที่มีนิวเคลียส (ศักย์อิออไนเซชัน) คือ 13.595 eV อะตอมเป็นกลาง ไฮโดรเจนสามารถเกาะกับอิเล็กตรอนตัวที่สองได้ ทำให้เกิดไอออนลบ H ในกรณีนี้ พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนตัวที่สองที่มีอะตอมเป็นกลาง (สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน) คือ 0.78 eV กลศาสตร์ควอนตัมทำให้สามารถคำนวณระดับพลังงานที่เป็นไปได้ทั้งหมดของอะตอมไฮโดรเจน และทำให้ตีความสเปกตรัมของอะตอมได้อย่างสมบูรณ์ อะตอมไฮโดรเจนถูกใช้เป็นอะตอมแบบจำลองในการคำนวณทางกลควอนตัมของระดับพลังงานของอะตอมอื่นที่ซับซ้อนกว่า

โมเลกุลไฮโดรเจน H 2 ประกอบด้วยอะตอมสองอะตอมที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมีโควาเลนต์ พลังงานของการแตกตัว (นั่นคือสลายตัวเป็นอะตอม) คือ 4.776 eV ระยะทางระหว่างอะตอมที่ตำแหน่งสมดุลของนิวเคลียสคือ 0.7414Å ที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลไฮโดรเจนจะแยกตัวออกเป็นอะตอม (ระดับความแตกแยกที่ 2000 °C คือ 0.0013 ที่ 5000 °C คือ 0.95) อะตอมไฮโดรเจนยังเกิดขึ้นในปฏิกิริยาเคมีต่างๆ (เช่น โดยการกระทำของ Zn ต่อกรดไฮโดรคลอริก) อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของไฮโดรเจนในสถานะอะตอมนั้นใช้เวลาเพียงช่วงเวลาสั้นๆ อะตอมจะรวมตัวกันเป็นโมเลกุล H 2 อีกครั้ง

คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจน ไฮโดรเจนเป็นสารที่เบาที่สุดในบรรดาสารที่รู้จัก (เบากว่าอากาศ 14.4 เท่า) ความหนาแน่น 0.0899 g/l ที่ 0°C และ 1 atm ไฮโดรเจนเดือด (ทำให้เป็นของเหลว) และละลาย (ทำให้แข็งตัว) ที่ -252.8°C และ -259.1°C ตามลำดับ (เฉพาะฮีเลียมเท่านั้นที่มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำกว่า) อุณหภูมิวิกฤตของไฮโดรเจนต่ำมาก (-240 องศาเซลเซียส) ดังนั้นการทำให้เป็นของเหลวจึงสัมพันธ์กับความยากลำบากอย่างมาก ความดันวิกฤต 12.8 kgf / cm 2 (12.8 atm) ความหนาแน่นวิกฤต 0.0312 g / cm 3 ไฮโดรเจนมีค่าการนำความร้อนสูงสุดของก๊าซทั้งหมด เท่ากับ 0.174 W/(m·K) ที่ 0°C และ 1 atm นั่นคือ 4.16·10 -4 cal/(s·cm·° C) ความจุความร้อนจำเพาะของไฮโดรเจนที่ 0 °C และ 1 atm C คือ 14.208 kJ/(kg K) เช่น 3.394 cal/(g°C) ไฮโดรเจนละลายได้เล็กน้อยในน้ำ (0.0182 มล. / ก. ที่ 20 ° C และ 1 atm) แต่ดี - ในโลหะหลายชนิด (Ni, Pt, Pa และอื่น ๆ ) โดยเฉพาะในแพลเลเดียม (850 ปริมาตรต่อ 1 ปริมาตรของ Pd) ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในโลหะนั้นสัมพันธ์กับความสามารถในการแพร่กระจายผ่านพวกมัน การแพร่กระจายผ่านโลหะผสมคาร์บอน (เช่น เหล็กกล้า) บางครั้งอาจมาพร้อมกับการทำลายของโลหะผสมอันเนื่องมาจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับคาร์บอน (ที่เรียกว่าการแยกคาร์บอนออกจากกัน) ไฮโดรเจนเหลวนั้นเบามาก (ความหนาแน่นที่ -253°C 0.0708 g/cm3) และของเหลว (ความหนืดที่ -253°C 13.8 เซนติพอยส์)

คุณสมบัติทางเคมีของไฮโดรเจน ในสารประกอบส่วนใหญ่ ไฮโดรเจนจะแสดงค่าวาเลนซี (ที่แม่นยำกว่านั้น คือสถานะออกซิเดชัน) ที่ +1 เช่นโซเดียมและโลหะอัลคาไลอื่นๆ โดยปกติถือว่าเป็นอะนาลอกของโลหะเหล่านี้ หัวเรื่องกลุ่ม I ของระบบ Mendeleev อย่างไรก็ตามในโลหะไฮไดรด์ไฮโดรเจนไอออนมีประจุลบ (สถานะออกซิเดชัน -1) นั่นคือ Na + H - ไฮไดรด์ถูกสร้างขึ้นเช่น Na + Cl - คลอไรด์ ข้อเท็จจริงนี้และข้อเท็จจริงอื่นๆ บางส่วน (ความใกล้เคียงกันของคุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจนและฮาโลเจน ความสามารถของฮาโลเจนในการแทนที่ไฮโดรเจนในสารประกอบอินทรีย์) ให้เหตุผลที่จะรวมไฮโดรเจนไว้ในกลุ่ม VII ของระบบธาตุด้วย ภายใต้สภาวะปกติ โมเลกุลไฮโดรเจนจะไม่ทำงาน โดยจะรวมโดยตรงกับอโลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุดเท่านั้น (ที่มีฟลูออรีน และในที่มีแสงรวมถึงคลอรีนด้วย) อย่างไรก็ตาม เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับหลายองค์ประกอบ อะตอมไฮโดรเจนมีกิจกรรมทางเคมีเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับโมเลกุลไฮโดรเจน ไฮโดรเจนรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ:

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

ด้วยการปล่อย 285.937 kJ / mol นั่นคือ 68.3174 kcal / mol ของความร้อน (ที่ 25 ° C และ 1 atm) ที่อุณหภูมิปกติ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นช้ามาก สูงกว่า 550 ° C - ด้วยการระเบิด ขีดจำกัดการระเบิดของของผสมไฮโดรเจน-ออกซิเจนคือ (โดยปริมาตร) จาก 4 ถึง 94% H 2 และส่วนผสมของไฮโดรเจนกับอากาศ - จาก 4 ถึง 74% H 2 (ส่วนผสมของ H 2 ปริมาตร 2 และ 1 ปริมาตรของ O 2 เรียกว่า แก๊สระเบิด) ไฮโดรเจนถูกใช้เพื่อลดโลหะจำนวนมาก เนื่องจากเอาออกซิเจนออกจากออกไซด์ของพวกมัน:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O เป็นต้น

ด้วยฮาโลเจน ไฮโดรเจนจะก่อตัวเป็นไฮโดรเจนเฮไลด์ ตัวอย่างเช่น

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.

ไฮโดรเจนระเบิดด้วยฟลูออรีน (แม้ในที่มืดและที่อุณหภูมิ -252°C) ทำปฏิกิริยากับคลอรีนและโบรมีนเฉพาะเมื่อให้แสงสว่างหรือให้ความร้อน และกับไอโอดีนเมื่อถูกความร้อนเท่านั้น ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนเพื่อสร้างแอมโมเนีย:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

เฉพาะกับตัวเร่งปฏิกิริยาและที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้นเท่านั้น เมื่อถูกความร้อน ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับกำมะถัน:

H 2 + S \u003d H 2 S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์)

ยากขึ้นมากกับซีลีเนียมและเทลลูเรียม ไฮโดรเจนสามารถทำปฏิกิริยากับคาร์บอนบริสุทธิ์ได้โดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น:

2H 2 + C (อสัณฐาน) = CH 4 (มีเทน)

ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยาโดยตรงกับโลหะบางชนิด (ด่าง อัลคาไลน์เอิร์ธ และอื่นๆ) ก่อตัวเป็นไฮไดรด์:

H 2 + 2Li = 2LiH

ความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่งคือปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับคาร์บอนมอนอกไซด์ (II) ซึ่งสารประกอบอินทรีย์ต่างๆ จะก่อตัวขึ้นตามอุณหภูมิ ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น HCHO CH 3 OH และอื่นๆ ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเพื่อให้อิ่มตัว ตัวอย่างเช่น

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

บทบาทของไฮโดรเจนและสารประกอบในทางเคมีนั้นยอดเยี่ยมมาก ไฮโดรเจนกำหนดคุณสมบัติที่เป็นกรดของกรดโปรติกที่เรียกว่า ไฮโดรเจนมีแนวโน้มที่จะก่อตัวที่เรียกว่าพันธะไฮโดรเจนกับองค์ประกอบบางอย่าง ซึ่งมีอิทธิพลอย่างเด็ดขาดต่อคุณสมบัติของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์หลายชนิด

รับไฮโดรเจน วัตถุดิบหลักสำหรับการผลิตไฮโดรเจนในเชิงอุตสาหกรรม ได้แก่ ก๊าซธรรมชาติที่ติดไฟได้ ก๊าซจากเตาถ่านโค้ก และก๊าซกลั่นน้ำมัน ไฮโดรเจนยังได้มาจากน้ำโดยอิเล็กโทรไลซิส (ในสถานที่ที่มีไฟฟ้าราคาถูก) วิธีที่สำคัญที่สุดในการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติคือปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของไฮโดรคาร์บอน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นมีเทนด้วยไอน้ำ (การแปลงสภาพ):

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

และการเกิดออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์ของไฮโดรคาร์บอนโดยออกซิเจน:

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

คาร์บอนมอนอกไซด์ที่เป็นผลลัพธ์ (II) ยังอยู่ภายใต้การแปลง:

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

ไฮโดรเจนที่ผลิตจากก๊าซธรรมชาติมีราคาถูกที่สุด

ไฮโดรเจนถูกแยกออกจากก๊าซในเตาอบโค้กและก๊าซจากโรงกลั่นโดยการกำจัดส่วนประกอบที่เหลือของส่วนผสมของก๊าซ ซึ่งจะถูกทำให้เป็นของเหลวได้ง่ายกว่าไฮโดรเจน เมื่อเย็นตัวลงอย่างลึก อิเล็กโทรลิซิสของน้ำจะดำเนินการด้วยกระแสตรง ผ่านสารละลาย KOH หรือ NaOH (ไม่ใช้กรดเพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนของอุปกรณ์เหล็ก) ไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการโดยอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ เช่นเดียวกับปฏิกิริยาระหว่างสังกะสีและกรดไฮโดรคลอริก อย่างไรก็ตามบ่อยครั้งที่พวกเขาใช้ไฮโดรเจนสำเร็จรูปในกระบอกสูบ

การประยุกต์ใช้ไฮโดรเจน ไฮโดรเจนเริ่มผลิตในระดับอุตสาหกรรมเมื่อปลายศตวรรษที่ 18 เพื่อเติมบอลลูน ในปัจจุบัน ไฮโดรเจนถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเคมี ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตแอมโมเนีย ผู้บริโภคไฮโดรเจนจำนวนมากยังเป็นการผลิตเมทิลและแอลกอฮอล์อื่นๆ น้ำมันเบนซินสังเคราะห์ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่ได้จากการสังเคราะห์จากไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ (II) ไฮโดรเจนใช้สำหรับการเติมไฮโดรเจนของเชื้อเพลิงที่เป็นของแข็งและของเหลวหนัก ไขมัน และอื่นๆ สำหรับการสังเคราะห์ HCl สำหรับการบำบัดด้วยไฮโดรเจนของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม ในการเชื่อมและการตัดโลหะด้วยเปลวไฟออกซิเจนไฮโดรเจน (อุณหภูมิสูงถึง 2800 ° C) และ ในการเชื่อมอะตอมไฮโดรเจน (สูงถึง 4000 ° C) . ไอโซโทปไฮโดรเจน ดิวเทอเรียม และทริเทียม พบการใช้งานที่สำคัญมากในด้านวิศวกรรมพลังงานนิวเคลียร์

ฟีนอล

โครงสร้าง
กลุ่มไฮดรอกซิลในโมเลกุลของสารประกอบอินทรีย์สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับนิวเคลียสอะโรมาติกหรือสามารถแยกออกจากอะตอมคาร์บอนหนึ่งอะตอมหรือมากกว่า เป็นที่คาดหวังได้ว่าคุณสมบัติของสารจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากอิทธิพลร่วมกันของกลุ่มอะตอม (จำหนึ่งในบทบัญญัติของทฤษฎีของ Butlerov) อันที่จริง สารประกอบอินทรีย์ที่ประกอบด้วยอะโรมาติกฟีนิล C 6 H 5 - เรดิคัลพันธะโดยตรงกับกลุ่มไฮดรอกซิลมีคุณสมบัติพิเศษที่แตกต่างจากแอลกอฮอล์ สารประกอบดังกล่าวเรียกว่าฟีนอล

ฟีนอล -สารอินทรีย์ที่โมเลกุลประกอบด้วยฟีนิลเรดิคัลที่เกี่ยวข้องกับกลุ่มไฮดรอกซิลหนึ่งกลุ่มขึ้นไป
เช่นเดียวกับแอลกอฮอล์ ฟีนอลถูกจำแนกตามอะตอม เช่น ตามจำนวนกลุ่มไฮดรอกซิล Monatomic phenols มีกลุ่มไฮดรอกซิลหนึ่งกลุ่มในโมเลกุล:

มี polyatomic อื่น ๆ อีก ฟีนอลที่มีหมู่ไฮดรอกซิลตั้งแต่สามกลุ่มขึ้นไปในวงแหวนเบนซิน
มาทำความรู้จักรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติของตัวแทนที่ง่ายที่สุดของคลาสนี้ - ฟีนอล C6H50H ชื่อของสารนี้เป็นพื้นฐานสำหรับชื่อของทั้งคลาส - ฟีนอล

คุณสมบัติทางกายภาพ
สารผลึกไม่มีสีที่เป็นของแข็ง tºpl = 43 °C, tº bp = °C โดยมีกลิ่นเฉพาะตัวที่คมชัด เป็นพิษ. ฟีนอลละลายได้เล็กน้อยในน้ำที่อุณหภูมิห้อง สารละลายฟีนอลในน้ำเรียกว่ากรดคาร์โบลิก มันทำให้เกิดแผลไหม้เมื่อสัมผัสกับผิวหนัง ดังนั้นต้องจัดการกับฟีนอลด้วยความระมัดระวัง
โครงสร้างของโมเลกุลฟีนอล
ในโมเลกุลฟีนอล ไฮดรอกซิลถูกพันธะโดยตรงกับอะตอมคาร์บอนของนิวเคลียสอะโรมาติกของเบนซีน
ให้เราระลึกถึงโครงสร้างของกลุ่มอะตอมที่สร้างโมเลกุลฟีนอล
วงแหวนอะโรมาติกประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน 6 ตัวที่ก่อตัวเป็นรูปหกเหลี่ยมปกติเนื่องจากการผสมพันธุ์ sp 2 ของออร์บิทัลอิเล็กตรอนของอะตอมของคาร์บอน 6 อะตอม อะตอมเหล่านี้เชื่อมโยงกันด้วยพันธะ z p-electrons ของอะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมที่ไม่มีส่วนร่วมในการก่อตัวของ st-bonds ซ้อนทับกันบนด้านตรงข้ามของระนาบ z-bond ก่อตัวเป็นสองส่วนของอิเล็กตรอนหกตัวเดียว พี- เมฆปกคลุมวงแหวนเบนซินทั้งหมด (นิวเคลียสอะโรมาติก) ในโมเลกุลเบนซีน C6H6 นิวเคลียสของอะโรมาติกมีความสมมาตรอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นอิเล็คโทรนิคตัวเดียว พี-เมฆปกคลุมวงแหวนของอะตอมคาร์บอนอย่างสม่ำเสมอภายใต้และเหนือระนาบของโมเลกุล (รูปที่ 24) พันธะโควาเลนต์ระหว่างออกซิเจนกับอะตอมไฮโดรเจนของไฮดรอกซิลเรดิคัลนั้นมีขั้วอย่างแรง เมฆอิเล็กตรอนทั่วไปของพันธะ OH จะเคลื่อนไปทางอะตอมออกซิเจนซึ่งมีประจุลบบางส่วนเกิดขึ้น และบนอะตอมไฮโดรเจนจะมีประจุบวกบางส่วน . นอกจากนี้ อะตอมออกซิเจนในกลุ่มไฮดรอกซิลยังมีคู่อิเล็กตรอนที่ไม่แบ่งแยกสองคู่ที่เป็นของมันเท่านั้น

ในโมเลกุลฟีนอล ไฮดรอกซิลเรดิคัลมีปฏิกิริยากับนิวเคลียสอะโรมาติก ในขณะที่คู่อิเล็กตรอนเดี่ยวของอะตอมออกซิเจนมีปฏิสัมพันธ์กับกลุ่มเมฆ TC เดียวของวงแหวนเบนซีน ก่อตัวเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์เดียว ปฏิสัมพันธ์ของคู่อิเล็กตรอนเดี่ยวและกลุ่มเมฆของพันธะ r เรียกว่าการผันคำกริยา อันเป็นผลมาจากการผันคู่ของอิเล็กตรอนคู่เดียวของอะตอมออกซิเจนของกลุ่มไฮดรอกซีกับระบบอิเล็กตรอนของวงแหวนเบนซีนความหนาแน่นของอิเล็กตรอนบนอะตอมออกซิเจนจะลดลง การลดลงนี้ได้รับการชดเชยโดยโพลาไรเซชันที่มากขึ้นของพันธะ О–Н ซึ่งจะทำให้ประจุบวกของอะตอมไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น ดังนั้นไฮโดรเจนของกลุ่มไฮดรอกซิลในโมเลกุลฟีนอลจึงมีลักษณะเป็น "กรด"
มีเหตุผลที่จะถือว่าการผันอิเล็กตรอนของวงแหวนเบนซีนและกลุ่มไฮดรอกซิลไม่เพียงส่งผลต่อคุณสมบัติของวงแหวนเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาของวงแหวนเบนซินด้วย
อย่างที่คุณจำได้ การผันคู่ของอะตอมออกซิเจนที่มีเมฆ n ของวงแหวนเบนซีนทำให้เกิดการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในนั้น มันลดลงที่อะตอมของคาร์บอนที่เกี่ยวข้องกับกลุ่ม OH (อิทธิพลของคู่อิเล็กตรอนของอะตอมออกซิเจนส่งผลกระทบต่อ) และเพิ่มขึ้นที่อะตอมของคาร์บอนที่อยู่ติดกับมัน (เช่นตำแหน่ง 2 และ 6 หรือตำแหน่งออร์โธ) เห็นได้ชัดว่าการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่อะตอมคาร์บอนเหล่านี้ของวงแหวนเบนซินทำให้เกิดการแปล (ความเข้มข้น) ของประจุลบบนพวกมัน ภายใต้อิทธิพลของประจุนี้ มีการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเพิ่มเติมในนิวเคลียสอะโรมาติก - การกระจัดจากอะตอมที่ 3 และ 5 (ตำแหน่ง .meta) ไปยังตำแหน่งที่ 4 (ตำแหน่งออร์โธ) กระบวนการเหล่านี้สามารถแสดงโดยโครงร่าง:

ดังนั้นการปรากฏตัวของไฮดรอกซิลเรดิคัลในโมเลกุลฟีนอลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใน n-cloud ของวงแหวนเบนซิน ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นที่อะตอมของคาร์บอน 2, 4 และ 6 (ตำแหน่งออร์โธ-, ดารา) และ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนลดลงที่อะตอมของคาร์บอนที่ 3 และ 5 (ตำแหน่งเมตา)
การแปลความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในตำแหน่งออร์โธและพาราทำให้มีแนวโน้มมากที่สุดที่จะถูกโจมตีโดยอนุภาคอิเล็กโทรฟิลิกเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสารอื่นๆ
ดังนั้น อิทธิพลของอนุมูลที่ประกอบเป็นโมเลกุลฟีนอลจึงมีความเกี่ยวข้องกัน และเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติเฉพาะของมัน
คุณสมบัติทางเคมีของฟีนอล
คุณสมบัติของกรด
ดังที่ได้กล่าวไปแล้วอะตอมไฮโดรเจนของกลุ่มไฮดรอกซิลของฟีนอลมีลักษณะเป็นกรด คุณสมบัติที่เป็นกรดของฟีนอลนั้นเด่นชัดกว่าน้ำและแอลกอฮอล์ ซึ่งแตกต่างจากแอลกอฮอล์และน้ำ ฟีนอลไม่เพียงทำปฏิกิริยากับโลหะอัลคาไลเท่านั้น แต่ยังทำปฏิกิริยากับด่างเพื่อสร้างฟีโนเลตด้วย
อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติที่เป็นกรดของฟีนอลนั้นเด่นชัดน้อยกว่ากรดอนินทรีย์และคาร์บอกซิลิก ตัวอย่างเช่น สมบัติความเป็นกรดของฟีนอลจะน้อยกว่ากรดคาร์บอนิกประมาณ 3000 เท่า ดังนั้นโดยการส่งผ่านคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านสารละลายโซเดียมฟีโนเลตที่เป็นน้ำ ฟีนอลอิสระจึงสามารถแยกออกได้:

การเติมกรดไฮโดรคลอริกหรือกรดซัลฟิวริกลงในสารละลายโซเดียมฟีโนเลตในน้ำยังนำไปสู่การก่อตัวของฟีนอล
ปฏิกิริยาเชิงคุณภาพต่อฟีนอล
ฟีนอลทำปฏิกิริยากับเหล็ก (III) คลอไรด์เพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนที่มีสีม่วงเข้ม
ปฏิกิริยานี้ทำให้สามารถตรวจจับได้แม้ในปริมาณที่น้อยมาก ฟีนอลอื่นๆ ที่มีหมู่ไฮดรอกซิลตั้งแต่หนึ่งหมู่ขึ้นไปในวงแหวนเบนซีนยังให้สีม่วงอมฟ้าเมื่อทำปฏิกิริยากับเหล็ก (III) คลอไรด์
ปฏิกิริยาของแหวนเบนซีน
การปรากฏตัวของสารทดแทนไฮดรอกซิลช่วยให้เกิดปฏิกิริยาการแทนที่ด้วยไฟฟ้าในวงแหวนเบนซินอย่างมาก
1. โบรมีนของฟีนอล โบรมีนฟีนอลไม่จำเป็นต้องเติมตัวเร่งปฏิกิริยา (ธาตุเหล็ก(III) โบรไมด์) ต่างจากเบนซิน
นอกจากนี้ ปฏิกิริยากับฟีนอลยังดำเนินการในเชิงคัดเลือก (คัดเลือก): อะตอมโบรมีนจะถูกส่งไปยังตำแหน่งออร์โธและพารา แทนที่อะตอมของไฮโดรเจนที่อยู่ที่นั่น การคัดเลือกของการทดแทนอธิบายโดยคุณสมบัติของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลฟีนอลที่กล่าวถึงข้างต้น ดังนั้น เมื่อฟีนอลทำปฏิกิริยากับน้ำโบรมีน จะเกิดตะกอนสีขาว 2,4,6-ไตรโบรโมฟีนอล
ปฏิกิริยานี้ เช่นเดียวกับปฏิกิริยากับเหล็ก(III) คลอไรด์ ทำหน้าที่ในการตรวจหาฟีนอลในเชิงคุณภาพของ

2. ฟีนอลไนเตรตยังง่ายกว่าเบนซีนไนเตรต ปฏิกิริยากับกรดไนตริกเจือจางจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง เป็นผลให้เกิดส่วนผสมของออร์โธและพาราไอโซเมอร์ของไนโตรฟีนอล:

3. การเติมไฮโดรเจนของวงแหวนอะโรมาติกของฟีนอลต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาทำได้ง่าย
4. การรวมตัวของฟีนอลกับอัลดีไฮด์โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับฟอร์มาลดีไฮด์เกิดขึ้นกับการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา - เรซินฟีนอล - ฟอร์มาลดีไฮด์และโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง
ปฏิสัมพันธ์ของฟีนอลกับฟอร์มัลดีไฮด์สามารถอธิบายได้โดยรูปแบบ:

คุณอาจสังเกตเห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจน "เคลื่อนที่" ถูกเก็บรักษาไว้ในโมเลกุลไดเมอร์ ซึ่งหมายความว่าการทำปฏิกิริยาต่อเนื่องต่อไปเป็นไปได้ด้วยรีเอเจนต์ในปริมาณที่เพียงพอ
ปฏิกิริยาโพลีคอนเดนเซชัน กล่าวคือ ปฏิกิริยาของการได้รับพอลิเมอร์ ซึ่งดำเนินการด้วยการปลดปล่อยผลิตภัณฑ์พลอยได้ (น้ำ) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ สามารถดำเนินต่อไปได้ต่อไป (จนกว่ารีเอเจนต์ตัวใดตัวหนึ่งจะถูกใช้จนหมด) ด้วยการก่อตัวของโมเลกุลขนาดใหญ่ กระบวนการนี้สามารถอธิบายได้ด้วยสมการโดยรวม:

การก่อตัวของโมเลกุลเชิงเส้นเกิดขึ้นที่อุณหภูมิปกติ การทำปฏิกิริยานี้เมื่อถูกความร้อนนำไปสู่ความจริงที่ว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้มีโครงสร้างที่แตกแขนง มันเป็นของแข็งและไม่ละลายในน้ำ จากการให้ความร้อนเรซินฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์เชิงเส้นที่มีอัลดีไฮด์มากเกินไป ได้มวลพลาสติกแข็งที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว โพลีเมอร์ที่ใช้เรซินฟีนอล - ฟอร์มัลดีไฮด์ใช้สำหรับการผลิตสารเคลือบเงาและสี ผลิตภัณฑ์พลาสติกที่ทนต่อความร้อน ความเย็น น้ำ ด่างและกรด มีคุณสมบัติเป็นฉนวนสูง โพลีเมอร์ที่ใช้เรซินฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่สำคัญและสำคัญที่สุดของเครื่องใช้ไฟฟ้า กล่องหน่วยพลังงาน และชิ้นส่วนเครื่องจักร ฐานพอลิเมอร์ของแผงวงจรพิมพ์สำหรับอุปกรณ์วิทยุ

กาวที่ใช้เรซินฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์สามารถเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของธรรมชาติต่างๆ ได้อย่างน่าเชื่อถือ โดยรักษาความแข็งแรงพันธะสูงสุดในช่วงอุณหภูมิที่กว้างมาก กาวดังกล่าวใช้สำหรับยึดฐานโลหะของโคมไฟกับหลอดแก้ว ตอนนี้มันชัดเจนสำหรับคุณแล้วว่าทำไมฟีนอลและผลิตภัณฑ์ที่มีพื้นฐานมาจากฟีนอลถึงถูกใช้อย่างแพร่หลาย (แบบแผน 8)

อะตอมของไฮโดรเจนเมื่อเทียบกับอะตอมของธาตุอื่นๆ มีโครงสร้างที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว

ก่อตัวเป็นนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวที่อยู่ในวงโคจร ls เอกลักษณ์ของอะตอมไฮโดรเจนอยู่ที่ความจริงที่ว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวอยู่ในสนามการกระทำของนิวเคลียสของอะตอมโดยตรง เนื่องจากไม่ได้ป้องกันโดยอิเล็กตรอนอื่น สิ่งนี้ให้คุณสมบัติเฉพาะ มันสามารถบริจาคอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเคมี สร้าง H + cation (เช่นอะตอมของโลหะอัลคาไล) หรือเพิ่มอิเล็กตรอนจากคู่หูเพื่อสร้าง H- ไอออน (เช่นอะตอมของฮาโลเจน) ดังนั้น ไฮโดรเจนในระบบธาตุจึงมักถูกจัดอยู่ในกลุ่ม IA บางครั้งอยู่ในกลุ่ม VIIA แต่มีรูปแบบต่างๆ ของตารางที่ไฮโดรเจนไม่อยู่ในกลุ่มใดๆ ของตารางธาตุ

โมเลกุลไฮโดรเจนเป็นไดอะตอมมิก - H2 ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่เบาที่สุดในบรรดาก๊าซทั้งหมด เนื่องจากไม่มีขั้วและมีความแข็งแรงสูงของโมเลกุล H2 (อี เซนต์\u003d 436 kJ / mol) ภายใต้สภาวะปกติไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนเท่านั้นและเมื่อส่องสว่างรวมถึงคลอรีนและโบรมีนด้วย เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับโลหะที่ไม่ใช่โลหะ คลอรีน โบรมีน ออกซิเจน กำมะถัน แสดงคุณสมบัติการรีดิวซ์ และเกิดปฏิกิริยากับโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ท เป็นสารออกซิไดซ์และสร้างไฮไดรด์ของโลหะเหล่านี้:

ในบรรดาสารอินทรีย์ทั้งหมด ไฮโดรเจนมีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้สัมพัทธ์ต่ำที่สุด (0E0 = 2.1) ดังนั้นในสารประกอบธรรมชาติ ไฮโดรเจนจะแสดงสถานะออกซิเดชันที่ +1 เสมอ จากตำแหน่งของอุณหพลศาสตร์เคมี ไฮโดรเจนในระบบสิ่งมีชีวิตที่มีน้ำไม่สามารถก่อตัวเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน (Н 2) หรือไฮไดรด์ไอออน (Н~) ได้ โมเลกุลไฮโดรเจนภายใต้สภาวะปกติจะไม่ทำงานทางเคมีและมีความผันผวนสูง ซึ่งทำให้ร่างกายไม่สามารถกักเก็บและมีส่วนร่วมในการเผาผลาญ ไฮไดรด์ไอออนมีปฏิกิริยารุนแรงทางเคมีและเกิดปฏิกิริยาทันทีแม้กับน้ำปริมาณเล็กน้อยเพื่อสร้างไฮโดรเจนระดับโมเลกุล ดังนั้น ไฮโดรเจนในร่างกายจึงอยู่ในรูปของสารประกอบกับออร์แกนิกอื่น ๆ หรืออยู่ในรูปของ H + ไอออนบวก

ไฮโดรเจนที่มีธาตุออร์แกนิกสร้างพันธะโควาเลนต์เท่านั้น ตามระดับของขั้ว พันธะเหล่านี้ถูกจัดเรียงตามลำดับต่อไปนี้:

ชุดนี้มีความสำคัญมากสำหรับเคมีของสารประกอบธรรมชาติ เนื่องจากความเป็นขั้วของพันธะเหล่านี้และความสามารถในการโพลาไรซ์ของพวกมันกำหนดคุณสมบัติที่เป็นกรดของสารประกอบนั้นล่วงหน้า กล่าวคือ การแยกตัวกับการก่อตัวของโปรตอน

คุณสมบัติของกรดขึ้นอยู่กับธรรมชาติขององค์ประกอบที่สร้างพันธะ X-H กรด 4 ชนิดมีความโดดเด่น:

กรด OH (กรดคาร์บอกซิลิก ฟีนอล แอลกอฮอล์);

SH-กรด (ไทออล);

กรด NH (เอไมด์, อิไมด์, เอมีน);

CH-กรด (ไฮโดรคาร์บอนและอนุพันธ์ของพวกมัน)

เมื่อพิจารณาถึงความสามารถในการโพลาไรซ์สูงของพันธะ S-H แล้ว กรดชุดต่อไปนี้สามารถรวบรวมได้ตามความสามารถในการแยกตัวออกจากกัน:

ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนบวกในสภาพแวดล้อมทางน้ำกำหนดความเป็นกรดของมัน ซึ่งแสดงโดยใช้ค่า pH pH = -lg (Sec. 7.5) สภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยาส่วนใหญ่ของร่างกายมีปฏิกิริยาใกล้เคียงกับความเป็นกลาง (pH = 5.0-7.5) เฉพาะในน้ำย่อย pH = 1.0-2.0 ในแง่หนึ่งสิ่งนี้ให้ฤทธิ์ต้านจุลชีพที่ฆ่าจุลินทรีย์จำนวนมากที่นำเข้าสู่กระเพาะอาหารด้วยอาหาร ในทางกลับกัน สภาพแวดล้อมที่เป็นกรดมีผลเร่งปฏิกิริยาในการไฮโดรไลซิสของโปรตีน โพลีแซ็กคาไรด์ และสารตั้งต้นทางชีวภาพอื่น ๆ ซึ่งมีส่วนช่วยในการผลิตเมตาบอลิซึมที่จำเป็น

คุณสมบัติรีดอกซ์เนื่องจากความหนาแน่นของประจุบวกสูง ไฮโดรเจนไอออนจึงเป็นตัวออกซิไดซ์ที่ค่อนข้างแรง (f° = 0 V) ​​ออกซิไดซ์โลหะที่ใช้งานและมีฤทธิ์ปานกลางเมื่อทำปฏิกิริยากับกรดและน้ำ:

ไม่มีตัวรีดิวซ์ที่แรงเช่นนั้นในระบบสิ่งมีชีวิต และกำลังออกซิไดซ์ของไฮโดรเจนไอออนบวกในตัวกลางที่เป็นกลาง (pH = 7) จะลดลงอย่างมาก (f° = -0.42 V) ดังนั้นในร่างกายไฮโดรเจนไอออนบวกจึงไม่แสดงคุณสมบัติการออกซิไดซ์ แต่มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในปฏิกิริยารีดอกซ์ซึ่งเอื้อต่อการเปลี่ยนสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา:

จากตัวอย่างทั้งหมดที่ให้ไว้ อะตอมของไฮโดรเจนไม่ได้เปลี่ยนสถานะออกซิเดชัน +1 ของพวกมัน

คุณสมบัติการลดเป็นลักษณะของโมเลกุลและโดยเฉพาะอย่างยิ่งไฮโดรเจนอะตอม กล่าวคือ ไฮโดรเจนในขณะที่ปล่อยโดยตรงในตัวกลางของปฏิกิริยา เช่นเดียวกับไฮไดรด์ไอออน:

อย่างไรก็ตาม ไม่มีสารรีดิวซ์ดังกล่าว (H2 หรือ H-) ในระบบสิ่งมีชีวิต ดังนั้นจึงไม่มีปฏิกิริยาดังกล่าว ความคิดเห็นที่พบในวรรณกรรม รวมทั้งตำรา ว่าไฮโดรเจนเป็นพาหะของคุณสมบัติการรีดิวซ์ของสารประกอบอินทรีย์ไม่สอดคล้องกับความเป็นจริง ดังนั้น ในระบบสิ่งมีชีวิต รูปแบบรีดิวซ์ของดีไฮโดรจีเนส โคเอ็นไซม์ ซึ่งอะตอมของคาร์บอน แทนที่จะเป็นอะตอมของไฮโดรเจน จะทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ของสารตั้งต้นทางชีวภาพ (Sec. 9.3.3)

คุณสมบัติที่ซับซ้อนเนื่องจากการมีอยู่ของการโคจรของอะตอมอิสระในไฮโดรเจนไอออนบวกและเอฟเฟกต์โพลาไรซ์ที่สูงของไอออนบวก H + เอง มันคือไอออนเชิงซ้อนที่แอคทีฟ ดังนั้น ในตัวกลางที่เป็นน้ำ ไฮโดรเจนไอออนจะก่อตัวเป็นไฮโดรเนียมไอออน H3O + และในที่ที่มีแอมโมเนีย แอมโมเนียมไอออน NH4:

แนวโน้มที่จะสร้างผู้ร่วมงานอะตอมไฮโดรเจนของพันธะ О-Н และ N--Н ที่มีขั้วสูงก่อให้เกิดพันธะไฮโดรเจน (ข้อ 3.1) ความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจน (ตั้งแต่ 10 ถึง 100 กิโลจูล/โมล) ขึ้นอยู่กับขนาดของประจุที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นและความยาวของพันธะไฮโดรเจน กล่าวคือ ระยะห่างระหว่างอะตอมขององค์ประกอบอิเล็กโตรเนกาทีฟที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัว กรดอะมิโน คาร์โบไฮเดรต โปรตีน กรดนิวคลีอิก มีลักษณะตามความยาวพันธะไฮโดรเจน, pm:

เนื่องจากพันธะไฮโดรเจน อันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลแบบย้อนกลับได้เกิดขึ้นระหว่างซับสเตรตและเอ็นไซม์ ระหว่างแต่ละกลุ่มในพอลิเมอร์ธรรมชาติ ซึ่งกำหนดโครงสร้างทุติยภูมิ ตติยภูมิ และควอเทอร์นารีของพวกมัน (ส่วนที่ 21.4, 23.4) พันธะไฮโดรเจนมีบทบาทสำคัญในคุณสมบัติของน้ำในฐานะตัวทำละลายและรีเอเจนต์

น้ำและคุณสมบัติของมันน้ำเป็นสารประกอบที่สำคัญที่สุดของไฮโดรเจน ปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดในร่างกายเกิดขึ้นเฉพาะในสภาพแวดล้อมทางน้ำ ชีวิตที่ปราศจากน้ำเป็นไปไม่ได้ น้ำเป็นตัวทำละลายได้รับการพิจารณาในวินาที 6.1.

คุณสมบัติของกรดเบส น้ำเป็นสารรีเอเจนต์จากจุดยืนของคุณสมบัติของกรด-เบสคือแอมโฟไลต์ที่แท้จริง (ข้อ 8.1) สิ่งนี้แสดงออกมาทั้งในไฮโดรไลซิสของเกลือ (ข้อ 8.3.1) และในการแตกตัวของกรดและเบสในตัวกลางที่เป็นน้ำ (ข้อ 8.3.2)

ลักษณะเชิงปริมาณของความเป็นกรดของตัวกลางที่เป็นน้ำคือค่า pH

น้ำในฐานะรีเอเจนต์ที่เป็นกรด-เบสเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของสารตั้งต้นทางชีวภาพ ตัวอย่างเช่น การไฮโดรไลซิสของอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟตทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานที่สะสมไว้สำหรับร่างกาย การย่อยด้วยเอนไซม์ของโปรตีนที่ไม่จำเป็นทำหน้าที่เพื่อให้ได้กรดอะมิโน ซึ่งเป็นสารตั้งต้นสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนที่จำเป็น ในเวลาเดียวกัน H+ cations หรือ OH– anions เป็นตัวเร่งปฏิกิริยากรด-เบสสำหรับปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของสารตั้งต้นทางชีวภาพ (หัวข้อ 21.4, 23.4)

คุณสมบัติรีดอกซ์ ในโมเลกุลของน้ำ ทั้งไฮโดรเจนและออกซิเจนอยู่ในสถานะออกซิเดชันที่เสถียร ดังนั้นน้ำจึงไม่แสดงคุณสมบัติรีดอกซ์ที่เด่นชัด ปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้นได้เมื่อน้ำทำปฏิกิริยากับตัวรีดิวซ์ที่แอคทีฟมากหรือตัวออกซิไดซ์ที่แอคทีฟมากเท่านั้น หรือภายใต้สภาวะของการกระตุ้นรีเอเจนต์อย่างแรง

น้ำสามารถเป็นตัวออกซิไดซ์ได้เนื่องจากไฮโดรเจนไอออนบวกเมื่อทำปฏิกิริยากับตัวรีดิวซ์อย่างแรง เช่น โลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทหรือไฮไดรด์:

ที่อุณหภูมิสูง ปฏิกิริยาระหว่างน้ำกับตัวรีดิวซ์ที่แอคทีฟน้อยเป็นไปได้:

ในระบบสิ่งมีชีวิต ส่วนประกอบของน้ำไม่เคยทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ เนื่องจากจะนำไปสู่การทำลายระบบเหล่านี้เนื่องจากการก่อตัวและการกำจัดโมเลกุลไฮโดรเจนออกจากสิ่งมีชีวิตอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้

น้ำสามารถทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์เนื่องจากอะตอมของออกซิเจน ตัวอย่างเช่น เมื่อทำปฏิกิริยากับตัวออกซิไดซ์ที่แรงเช่นฟลูออรีน:

ภายใต้อิทธิพลของแสงและด้วยการมีส่วนร่วมของคลอโรฟิลล์ กระบวนการสังเคราะห์แสงจะเกิดขึ้นในพืชด้วยการก่อตัวของ O2 จากน้ำ (ข้อ 9.3.6):

นอกเหนือจากการมีส่วนร่วมโดยตรงในการแปลงรีดอกซ์แล้ว น้ำและผลิตภัณฑ์การแยกตัวของมัน H + และ OH- ยังมีส่วนร่วมเป็นสื่อที่ก่อให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์จำนวนมากเนื่องจากมีขั้วสูง ( = 79) และการมีส่วนร่วมของไอออนที่เกิดจาก ในการแปลงสภาพของสารตั้งต้นเป็นขั้นสุดท้าย (ข้อ 9.1)

คุณสมบัติที่ซับซ้อน เนื่องจากการมีอยู่ของอิเล็กตรอนคู่สองคู่ที่อะตอมออกซิเจน โมเลกุลของน้ำจึงเป็นแกนด์ monodentate ที่ค่อนข้างแอคทีฟ ซึ่งก่อให้เกิดออกโซเนียมไอออนเชิงซ้อน H 3 0 + ที่มีไฮโดรเจนไอออนบวก และสารเชิงซ้อนทางน้ำที่ค่อนข้างเสถียรด้วยไอออนบวกของโลหะในสารละลายที่เป็นน้ำ ตัวอย่างเช่น [Ca (H 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . ในไอออนเชิงซ้อนเหล่านี้ โมเลกุลของโหนดถูกพันธะโควาเลนต์กับสารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนค่อนข้างแน่น ไอออนบวกของโลหะอัลคาไลไม่ก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนในน้ำ แต่ก่อให้เกิดไอออนบวกไฮเดรตเนื่องจากแรงไฟฟ้าสถิต เวลาที่อยู่อาศัยของโมเลกุลน้ำในเปลือกไฮเดรชั่นของไพเพอร์เหล่านี้ไม่เกิน 0.1 วินาทีและองค์ประกอบของมันในแง่ของจำนวนโมเลกุลของน้ำสามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่าย

แนวโน้มที่จะสร้างผู้ร่วมงาน เนื่องจากขั้วสูงซึ่งส่งเสริมปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตและการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน โมเลกุลของน้ำแม้ในน้ำบริสุทธิ์ (ข้อ 6.1) จะก่อให้เกิดการรวมตัวระหว่างโมเลกุลซึ่งมีโครงสร้างต่างกัน จำนวนโมเลกุล และเวลาของชีวิตที่ตกตะกอนในผู้ร่วมงาน ตลอดจนอายุขัยของผู้ร่วมงานเอง ดังนั้นน้ำบริสุทธิ์จึงเป็นระบบไดนามิกที่ซับซ้อนแบบเปิด ภายใต้อิทธิพลของปัจจัยภายนอก: กัมมันตภาพรังสี, รังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเลเซอร์, คลื่นยืดหยุ่น, อุณหภูมิ, ความดัน, สนามไฟฟ้า, แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งเทียมและธรรมชาติ (อวกาศ, ดวงอาทิตย์, โลก, วัตถุที่มีชีวิต) - น้ำเปลี่ยนคุณสมบัติโครงสร้างและข้อมูล และด้วยเหตุนี้ หน้าที่ทางชีววิทยาและสรีรวิทยาจึงเปลี่ยนไป

นอกจากการเชื่อมโยงตัวเองแล้ว โมเลกุลของน้ำยังไฮเดรตไอออน โมเลกุลมีขั้ว และโมเลกุลขนาดใหญ่ ทำให้เกิดเปลือกไฮเดรชั่นรอบๆ พวกมัน ซึ่งจะทำให้พวกมันคงตัวในสารละลายและส่งเสริมการละลายของพวกมัน (ส่วนที่ 6.1) สารที่มีโมเลกุลไม่มีขั้วและมีขนาดค่อนข้างเล็กสามารถละลายในน้ำได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น เติมช่องว่างของสารที่สัมพันธ์กันด้วยโครงสร้างบางอย่าง ในกรณีนี้ อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาที่ไม่ชอบน้ำ โมเลกุลที่ไม่มีขั้วจะจัดโครงสร้างเปลือกไฮเดรชั่นที่ล้อมรอบพวกมัน ทำให้มันกลายเป็นพันธะที่มีโครงสร้าง โดยปกติแล้วจะมีโครงสร้างคล้ายน้ำแข็ง ซึ่งอยู่ภายในซึ่งโมเลกุลที่ไม่มีขั้วนี้ตั้งอยู่

ในสิ่งมีชีวิต น้ำสองประเภทสามารถแยกแยะได้ - "ถูกผูกมัด" และ "อิสระ" อย่างหลังเห็นได้ชัดว่าอยู่ในของเหลวระหว่างเซลล์เท่านั้น (ข้อ 6.1) ในทางกลับกัน น้ำที่ถูกผูกไว้จะถูกแบ่งออกเป็นน้ำที่มีโครงสร้าง (มีพันธะอย่างแน่นหนา) และน้ำที่ถูกทำลาย (มีโครงสร้างไม่แข็งแรง) อาจเป็นไปได้ว่าปัจจัยภายนอกทั้งหมดข้างต้นส่งผลต่อสถานะของน้ำในร่างกายโดยเปลี่ยนอัตราส่วน: น้ำ "มีโครงสร้าง" / "ถูกทำลาย" และ "ถูกผูกไว้" / "อิสระ" รวมถึงพารามิเตอร์โครงสร้างและไดนามิก สิ่งนี้แสดงให้เห็นในการเปลี่ยนแปลงสถานะทางสรีรวิทยาของร่างกาย เป็นไปได้ว่าน้ำภายในเซลล์จะผ่านการควบคุมอย่างต่อเนื่อง โดยส่วนใหญ่มาจากโปรตีน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นจังหวะจากสถานะ "มีโครงสร้าง" เป็น "ถูกทำลาย" การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เชื่อมโยงกับการขับเมแทบอไลต์ที่ใช้แล้ว (ตะกรัน) ออกจากเซลล์และการดูดซึมสารที่จำเป็น จากมุมมองที่ทันสมัย ​​น้ำมีส่วนเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของโครงสร้างภายในเซลล์เดียว อันเนื่องมาจากความเป็นระเบียบเรียบร้อยของกระบวนการชีวิต ดังนั้น ตามการแสดงออกโดยนัยของ A. Szent-Gyorgyi น้ำในร่างกายจึงเป็น "เมทริกซ์แห่งชีวิต"

น้ำในธรรมชาติ น้ำเป็นสารที่สำคัญและแพร่หลายที่สุดในโลก พื้นผิวโลกถูกปกคลุมด้วยน้ำ 75% ปริมาตรของมหาสมุทรโลกคือ 1.4 พันล้านกม. 3 มีปริมาณน้ำเท่ากันในแร่ธาตุในรูปของน้ำที่ตกผลึก บรรยากาศประกอบด้วยน้ำ 13,000 กม. 3 ในเวลาเดียวกันปริมาณน้ำจืดสำรองที่เหมาะสมสำหรับการบริโภคและความต้องการภายในประเทศค่อนข้างจำกัด (ปริมาณของแหล่งน้ำจืดทั้งหมดคือ 200,000 กม. 3) น้ำจืดที่ใช้ในชีวิตประจำวันมีสิ่งเจือปนต่างๆ ตั้งแต่ 0.05 ถึง 1 กรัม/ลิตร ส่วนใหญ่มักเป็นเกลือ: ไบคาร์บอเนต คลอไรด์ ซัลเฟต รวมถึงเกลือแคลเซียมและแมกนีเซียมที่ละลายน้ำได้ ซึ่งทำให้น้ำกระด้าง (หัวข้อ 14.3 ) ปัจจุบัน การปกป้องทรัพยากรน้ำและการบำบัดน้ำเสียเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เร่งด่วนที่สุด

ในน้ำธรรมดามีน้ำหนักประมาณ 0.02% D2O (D - ดิวเทอเรียม) มันสะสมในระหว่างการระเหยหรืออิเล็กโทรไลซิสของน้ำธรรมดา น้ำที่หนักเป็นพิษ ใช้น้ำหนักเพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของน้ำในสิ่งมีชีวิต ด้วยความช่วยเหลือของมัน พบว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ของน้ำในเนื้อเยื่อของพืชบางชนิดถึง 14 m/h และน้ำที่ดื่มโดยบุคคลที่ถูกกระจายไปทั่วอวัยวะและเนื้อเยื่อของเขาใน 2 ชั่วโมงและถูกขับออกจากร่างกายอย่างสมบูรณ์ หลังจากสองสัปดาห์เท่านั้น สิ่งมีชีวิตประกอบด้วยน้ำ 50 ถึง 93% ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ในทุกกระบวนการของชีวิต ชีวิตเป็นไปไม่ได้หากไม่มีน้ำ ด้วยอายุขัยเฉลี่ย 70 ปี คนเราบริโภคน้ำประมาณ 70 ตันพร้อมอาหารและเครื่องดื่ม

ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิทยาศาสตร์และการแพทย์ น้ำกลั่น- ของเหลวใสไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส pH = 5.2-6.8 นี่คือการเตรียมยาสำหรับการเตรียมยาหลายรูปแบบ

น้ำฉีด(น้ำ pyrogenic) - ยังเป็นการเตรียมตำรับยา น้ำนี้ไม่มีสาร pyrogenic Pyrogens - สารที่มีต้นกำเนิดจากแบคทีเรีย - สารเมตาบอลิซึมหรือของเสียของแบคทีเรียที่เมื่อเข้าสู่ร่างกายจะทำให้เกิดอาการหนาวสั่น มีไข้ ปวดศีรษะ และการทำงานของหัวใจและหลอดเลือดบกพร่อง น้ำ Apyrogenic ถูกเตรียมโดยการกลั่นสองครั้งของโหนด (bidistillate) ภายใต้สภาวะปลอดเชื้อ และใช้ภายใน 24 ชั่วโมง

โดยสรุปในส่วนนี้ จำเป็นต้องเน้นย้ำถึงคุณสมบัติของไฮโดรเจนในฐานะที่เป็นองค์ประกอบทางชีวภาพ ในระบบที่มีชีวิต ไฮโดรเจนมักแสดงสถานะออกซิเดชันเป็น +1 และเกิดขึ้นในลักษณะพันธะโควาเลนต์ที่มีขั้วกับองค์ประกอบทางชีวภาพอื่นๆ หรือเป็นไอออนบวก H + ไฮโดรเจนไอออนเป็นพาหะของคุณสมบัติที่เป็นกรดและสารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่ออกฤทธิ์ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับคู่อิเล็กตรอนอิสระของอะตอมของออร์แกนิกอื่น ๆ จากมุมมองของคุณสมบัติรีดอกซ์ ไฮโดรเจนที่ถูกผูกมัดภายใต้สภาวะของร่างกายไม่แสดงคุณสมบัติของตัวออกซิไดซ์หรือตัวรีดิวซ์ อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนไอออนบวกมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในปฏิกิริยารีดอกซ์จำนวนมาก โดยไม่เปลี่ยนสถานะออกซิเดชัน แต่มีส่วนทำให้ เพื่อเปลี่ยนสารชีววัตถุเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ไฮโดรเจนที่ถูกพันธะกับธาตุอิเล็กโตรเนกาทีฟจะทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจน

บรรยาย 29

ไฮโดรเจน. น้ำ

แผนการบรรยาย:

น้ำ. คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพ

บทบาทของไฮโดรเจนและน้ำในธรรมชาติ

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมี

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบเดียวในระบบธาตุของ D.I. Mendeleev ซึ่งตำแหน่งไม่ชัดเจน สัญลักษณ์ทางเคมีของมันในตารางธาตุถูกบันทึกสองครั้ง: ในกลุ่ม IA และ VIIA นี่คือคำอธิบายโดยข้อเท็จจริงที่ว่าไฮโดรเจนมีคุณสมบัติหลายอย่างที่รวมกับทั้งโลหะอัลคาไลและฮาโลเจน (ตารางที่ 14)

ตารางที่ 14

การเปรียบเทียบคุณสมบัติของไฮโดรเจนกับคุณสมบัติของโลหะอัลคาไลและฮาโลเจน

ความคล้ายคลึงกันของโลหะอัลคาไล	ความคล้ายคลึงกับฮาโลเจน
ที่ระดับพลังงานภายนอก อะตอมของไฮโดรเจนประกอบด้วยอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ไฮโดรเจนอยู่ในองค์ประกอบ s	เพื่อให้สมบูรณ์ระดับชั้นนอกและระดับเดียวเท่านั้น อะตอมไฮโดรเจน เช่น อะตอมฮาโลเจน ขาดอิเล็กตรอนหนึ่งตัว
ไฮโดรเจนแสดงคุณสมบัติการรีดิวซ์ เป็นผลมาจากการเกิดออกซิเดชัน ไฮโดรเจนได้รับสถานะออกซิเดชันที่พบบ่อยที่สุดในสารประกอบ +1	ไฮโดรเจนเช่นเดียวกับฮาโลเจนในสารประกอบที่มีโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ ธ มีสถานะออกซิเดชันเป็น -1 ซึ่งยืนยันคุณสมบัติในการออกซิไดซ์
การมีอยู่ของไฮโดรเจนที่เป็นของแข็งกับโครงผลึกโลหะจะถือว่ามีอยู่ในอวกาศ	เช่นเดียวกับฟลูออรีนและคลอรีน ไฮโดรเจนเป็นก๊าซภายใต้สภาวะปกติ โมเลกุลของมัน เช่นเดียวกับโมเลกุลของฮาโลเจน เป็นไดอะตอมมิกและเกิดขึ้นจากพันธะโควาเลนต์ที่ไม่มีขั้ว

ในธรรมชาติ ไฮโดรเจนมีอยู่ในรูปของไอโซโทปสามไอโซโทปที่มีมวล 1, 2 และ 3: protium 1 1 H, ดิวเทอเรียม 2 1 D และทริเทียม 3 1 ต. สองไอโซโทปที่เสถียรและไอโซโทปที่สามมีกัมมันตภาพรังสี ส่วนผสมตามธรรมชาติของไอโซโทปถูกครอบงำโดยโปรเทียม อัตราส่วนเชิงปริมาณระหว่างไอโซโทป H: D: T คือ 1: 1.46 10 -5: 4.00 10 -15 .

สารประกอบของไอโซโทปไฮโดรเจนมีคุณสมบัติต่างกัน ตัวอย่างเช่น จุดเดือดและจุดเยือกแข็งของน้ำโปรเทียมเบา (H 2 O) ตามลำดับ เท่ากับ - 100 o C และ 0 o C และดิวเทอเรียม (D 2 O) - 101.4 o C และ 3.8 o C อัตราการเกิดปฏิกิริยากับน้ำเบาจะสูงกว่าน้ำที่มีน้ำหนักมาก

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่พบมากที่สุดในจักรวาล โดยคิดเป็นประมาณ 75% ของมวลจักรวาลหรือมากกว่า 90% ของอะตอมทั้งหมด ไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งของน้ำในเปลือกทางธรณีวิทยาที่สำคัญที่สุดของโลก นั่นคือ ไฮโดรสเฟียร์

ไฮโดรเจนก่อตัวพร้อมกับคาร์บอน สารอินทรีย์ทั้งหมด ซึ่งก็คือมันเป็นส่วนหนึ่งของเปลือกที่มีชีวิตของโลก - ชีวมณฑล ในเปลือกโลก - เปลือกโลก - ปริมาณไฮโดรเจนเพียง 0.88% นั่นคือมันครองตำแหน่งที่ 9 ในทุกองค์ประกอบ เปลือกอากาศของโลก - ชั้นบรรยากาศมีปริมาตรน้อยกว่าหนึ่งในล้านของปริมาตรทั้งหมดที่เป็นของโมเลกุลไฮโดรเจน พบเฉพาะในบรรยากาศชั้นบนเท่านั้น

การรับและการใช้ไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนได้รับครั้งแรกในศตวรรษที่ 16 โดยแพทย์ยุคกลางและนักเล่นแร่แปรธาตุ Paracelsus เมื่อแผ่นเหล็กถูกจุ่มลงในกรดซัลฟิวริก และในปี ค.ศ. 1766 นักเคมีชาวอังกฤษ Henry Cavendish ได้พิสูจน์ว่าไฮโดรเจนได้รับไม่เพียงโดยปฏิกิริยาของเหล็กกับกรดซัลฟิวริก แต่ยังทำด้วยโลหะอื่น ๆ ด้วย กรด คาเวนดิชยังได้อธิบายคุณสมบัติของไฮโดรเจนเป็นครั้งแรก

ใน ห้องปฏิบัติการ ได้รับสภาวะไฮโดรเจน:

1. ปฏิกิริยาของโลหะกับกรด:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2. ปฏิกิริยาของโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทกับน้ำ

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

ใน อุตสาหกรรม ไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นด้วยวิธีต่อไปนี้:

1. อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายเกลือ กรด และด่างสารละลายเกลือที่ใช้กันมากที่สุดคือ:

2NaCl + 2H 2 O →เอล ปัจจุบัน H 2 + Cl 2 + NaOH

2. การนำไอน้ำกลับมาใช้ใหม่ด้วยโค้กร้อนแดง:

C + H 2 O → เสื้อ CO + H 2

ส่วนผสมที่เกิดขึ้นของคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนเรียกว่า แก๊สน้ำ (แก๊สสังเคราะห์)และใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เคมีต่างๆ (แอมโมเนีย เมทานอล ฯลฯ) ในการปลดปล่อยไฮโดรเจนจากแก๊สน้ำ คาร์บอนมอนอกไซด์จะถูกแปลงเป็นคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อถูกความร้อนด้วยไอน้ำ:

CO + H 2 → เสื้อ CO 2 + H 2

3. ความร้อนมีเทนในที่ที่มีไอน้ำและออกซิเจน วิธีนี้เป็นวิธีหลักในปัจจุบัน:

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O → t 2CO 2 + 6H 2

ไฮโดรเจนใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับ:

1. การสังเคราะห์ทางอุตสาหกรรมของแอมโมเนียและไฮโดรเจนคลอไรด์

2. ได้รับเมทานอลและเชื้อเพลิงเหลวสังเคราะห์เป็นส่วนหนึ่งของก๊าซสังเคราะห์ (ไฮโดรเจน 2 ปริมาตรและ CO 1 ปริมาตร)

3. ไฮโดรทรีตติ้งและไฮโดรแคร็กกิ้งของเศษส่วนของน้ำมัน

4. ไฮโดรจิเนชันของไขมันเหลว

5. การตัดและเชื่อมโลหะ

6. รับทังสเตนโมลิบดีนัมและรีเนียมจากออกไซด์

7. เครื่องยนต์อวกาศเป็นเชื้อเพลิง

8. เครื่องปฏิกรณ์เทอร์โมนิวเคลียร์ใช้ไอโซโทปไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีรส และไม่มีกลิ่น ความหนาแน่นที่ n.o. 0.09 ก./ลิตร (เบากว่าอากาศ 14 เท่า) ไฮโดรเจนละลายได้ไม่ดีในน้ำ (ก๊าซเพียง 2 ปริมาตรต่อน้ำ 100 ปริมาตร) แต่ถูกดูดซับโดยโลหะดี - นิกเกิล แพลตตินั่ม แพลเลเดียม (ไฮโดรเจนมากถึง 900 ปริมาตรละลายในแพลเลเดียมหนึ่งปริมาตร)

ในปฏิกิริยาเคมี ไฮโดรเจนแสดงคุณสมบัติทั้งรีดิวซ์และออกซิไดซ์ ส่วนใหญ่ไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์

1. ปฏิกิริยากับอโลหะ. ไฮโดรเจนสร้างสารประกอบไฮโดรเจนระเหยง่ายด้วยอโลหะ (ดูบรรยายที่ 25)

ด้วยฮาโลเจนอัตราการเกิดปฏิกิริยาและสภาวะการไหลเปลี่ยนจากฟลูออรีนเป็นไอโอดีน: ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนด้วยการระเบิดแม้ในที่มืด โดยคลอรีน ปฏิกิริยาจะดำเนินไปอย่างสงบโดยได้รับแสงเพียงเล็กน้อย โดยโบรมีนและไอโอดีน ปฏิกิริยาจะย้อนกลับได้และจะเกิดขึ้นเมื่อได้รับความร้อนเท่านั้น:

H 2 + F 2 → 2HF

H 2 + Cl 2 → hν 2HCl

H 2 + ฉัน 2 → เสื้อ 2HI

ด้วยออกซิเจนและไฮโดรเจนซัลฟิวริกทำปฏิกิริยากับความร้อนเล็กน้อย ส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจน 1:2 เรียกว่า แก๊สระเบิด:

H 2 + O 2 → เสื้อ H 2 O

H 2 + S → เสื้อ H 2 S

ด้วยไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และคาร์บอนปฏิกิริยาเกิดขึ้นภายใต้ความร้อน ความดันสูงและต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาย้อนกลับได้:

3H 2 + N 2 → cat., p, t2NH 3

2H 2 + 3P → cat., p, t3PH 3

H 2 + C → cat., p, t CH 4

2. ปฏิกิริยากับสารที่ซับซ้อนที่อุณหภูมิสูง ไฮโดรเจนจะลดโลหะจากออกไซด์ของพวกมัน:

CuO + H 2 → เสื้อ Cu + H 2 O

3. ที่ ปฏิกิริยากับโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทไฮโดรเจนแสดงคุณสมบัติการออกซิไดซ์:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

4. ปฏิกิริยากับสารอินทรีย์ไฮโดรเจนมีปฏิกิริยาอย่างแข็งขันกับสารอินทรีย์หลายชนิดปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน ปฏิกิริยาที่คล้ายกันจะได้รับการพิจารณาในรายละเอียดเพิ่มเติมในส่วนที่ 3 ของคอลเลกชัน "เคมีอินทรีย์"

คำนิยาม

ไฮโดรเจน- องค์ประกอบแรกของระบบธาตุขององค์ประกอบทางเคมีของ D.I. เมนเดเลเยฟ. สัญลักษณ์คือ N.

มวลอะตอม - 01.00 น. โมเลกุลไฮโดรเจนเป็นไดอะตอมมิก - H 2

โครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมไฮโดรเจนคือ 1s 1 ไฮโดรเจนอยู่ในตระกูล s-element ในสารประกอบของมัน แสดงสถานะออกซิเดชัน -1, 0, +1 ไฮโดรเจนธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปที่เสถียรสองไอโซโทป - โปรเทียม 1 H (99.98%) และดิวเทอเรียม 2 H (D) (0.015%) - และไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของทริเทียม 3 H (T) (ปริมาณการติดตาม ครึ่งชีวิต - 12.5 ปี) .

คุณสมบัติทางเคมีของไฮโดรเจน

ภายใต้สภาวะปกติ โมเลกุลไฮโดรเจนแสดงปฏิกิริยาค่อนข้างต่ำ ซึ่งอธิบายได้จากความแข็งแรงพันธะสูงในโมเลกุล เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับสารธรรมดาเกือบทั้งหมดที่เกิดจากองค์ประกอบของกลุ่มย่อยหลัก (ยกเว้นก๊าซมีตระกูล B, Si, P, Al) ในปฏิกิริยาเคมี มันสามารถทำหน้าที่เป็นทั้งตัวรีดิวซ์ (บ่อยกว่า) และตัวออกซิไดซ์ (น้อยกว่า)

ไฮโดรเจนปรากฏ คุณสมบัติของตัวรีดิวซ์(H 2 0 -2e → 2H +) ในปฏิกิริยาต่อไปนี้:

1. ปฏิกิริยาของปฏิกิริยากับสารธรรมดา - อโลหะ ปฏิกิริยาไฮโดรเจน ด้วยฮาโลเจนยิ่งกว่านั้นปฏิกิริยาของปฏิกิริยากับฟลูออรีนภายใต้สภาวะปกติในที่มืดด้วยการระเบิดด้วยคลอรีน - ภายใต้แสงสว่าง (หรือการฉายรังสี UV) โดยกลไกลูกโซ่กับโบรมีนและไอโอดีนเมื่อถูกความร้อนเท่านั้น ออกซิเจน(ส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจนในอัตราส่วนปริมาตร 2:1 เรียกว่า "ก๊าซระเบิด") สีเทา, ไนโตรเจนและ คาร์บอน:

H 2 + ฮาล 2 \u003d 2Hal;

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S \u003d H 2 S (t \u003d 150 - 300C);

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

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat)

2. ปฏิกิริยาของปฏิกิริยากับสารที่ซับซ้อน ปฏิกิริยาไฮโดรเจน ด้วยออกไซด์ของโลหะที่มีปฏิกิริยาต่ำและสามารถลดเฉพาะโลหะที่อยู่ในชุดกิจกรรมทางด้านขวาของสังกะสี:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (t);

เฟ 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 \u003d W + 3H 2 O (t)

ปฏิกิริยาไฮโดรเจน กับอโลหะออกไซด์:

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)

ไฮโดรเจนเข้าสู่ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันกับสารประกอบอินทรีย์ในกลุ่ม cycloalkanes, alkenes, arenes, aldehydes และ ketones เป็นต้น ปฏิกิริยาทั้งหมดเหล่านี้ดำเนินการภายใต้ความร้อน ภายใต้ความดัน ทองคำขาวหรือนิกเกิลถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา:

CH 2 \u003d 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

ไฮโดรเจน เป็นตัวออกซิไดซ์(H 2 + 2e → 2H -) ทำปฏิกิริยากับโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ท ในกรณีนี้ไฮไดรด์จะเกิดขึ้น - สารประกอบไอออนิกที่เป็นผลึกซึ่งไฮโดรเจนแสดงสถานะออกซิเดชันเป็น -1

2Na + H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนเป็นก๊าซไม่มีสีอ่อน ไม่มีกลิ่น มีความหนาแน่นอยู่ที่ n.o. - 0.09 g / l เบากว่าอากาศ 14.5 เท่า, t bale = -252.8C, t pl = - 259.2C ไฮโดรเจนละลายได้ไม่ดีในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ โดยสามารถละลายได้สูงในโลหะบางชนิด เช่น นิกเกิล แพลเลเดียม แพลตตินั่ม

ตามจักรวาลเคมีสมัยใหม่ ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาล รูปแบบหลักของการมีอยู่ของไฮโดรเจนในอวกาศคืออะตอมเดี่ยว ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับ 9 ของโลก ปริมาณไฮโดรเจนหลักบนโลกอยู่ในสถานะผูกมัด - ในองค์ประกอบของน้ำ น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน ฯลฯ ในรูปของสารง่าย ๆ ไม่ค่อยพบไฮโดรเจน - ในองค์ประกอบของก๊าซภูเขาไฟ

รับไฮโดรเจน

มีวิธีการผลิตไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการและทางอุตสาหกรรม วิธีการทางห้องปฏิบัติการรวมถึงปฏิกิริยาของโลหะกับกรด (1) เช่นเดียวกับปฏิกิริยาของอะลูมิเนียมกับสารละลายที่เป็นน้ำของด่าง (2) ในบรรดาวิธีทางอุตสาหกรรมในการผลิตไฮโดรเจน อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายที่เป็นด่างและเกลือ (3) และการเปลี่ยนรูปของก๊าซมีเทน (4) มีบทบาทสำคัญดังนี้

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).

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่าง 1

งาน	เมื่อดีบุกโลหะ 23.8 กรัมทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกที่มากเกินไป ไฮโดรเจนก็ถูกปล่อยออกมาในปริมาณที่เพียงพอเพื่อให้ได้ทองแดงโลหะ 12.8 กรัม กำหนดระดับของการเกิดออกซิเดชันของดีบุกในสารประกอบที่ได้
สารละลาย	จากโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมของดีบุก (...5s 2 5p 2) เราสามารถสรุปได้ว่าดีบุกมีสถานะออกซิเดชันสองสถานะ - +2, +4 จากนี้เราจะเขียนสมการของปฏิกิริยาที่เป็นไปได้: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O (3) ค้นหาปริมาณของสารทองแดง: v (Cu) \u003d m (Cu) / M (Cu) \u003d 12.8 / 64 \u003d 0.2 โมล ตามสมการที่ 3 ปริมาณของสารไฮโดรเจน: v (H 2) \u003d v (Cu) \u003d 0.2 โมล เมื่อทราบมวลของดีบุกแล้ว เราจะพบปริมาณของสารในนั้น: v (Sn) \u003d m (Sn) / M (Sn) \u003d 23.8 / 119 \u003d 0.2 โมล ให้เปรียบเทียบปริมาณของดีบุกและสารไฮโดรเจนตามสมการที่ 1 และ 2 และตามสภาพของปัญหาดังนี้ v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (สมการที่ 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (สมการ 2); v(Sn): v(H 2) = 0.2:0.2 = 1:1 (เงื่อนไขปัญหา) ดังนั้นดีบุกทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกตามสมการที่ 1 และสถานะออกซิเดชันของดีบุกคือ +2
ตอบ	สถานะออกซิเดชันของดีบุกคือ +2

ตัวอย่าง 2

งาน	ก๊าซที่ปล่อยออกมาจากการกระทำของสังกะสี 2.0 กรัมต่อกรดไฮโดรคลอริก 14.6% 18.7 มิลลิลิตร (ความหนาแน่นของสารละลาย 1.07 กรัม/มิลลิลิตร) ถูกส่งผ่านโดยการให้ความร้อนเหนือคอปเปอร์ (II) ออกไซด์ 4.0 กรัม มวลของส่วนผสมที่เป็นของแข็งที่ได้คือเท่าใด
สารละลาย	เมื่อสังกะสีทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริก ไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมา: Zn + 2HCl \u003d ZnCl 2 + H 2 (1), ซึ่งเมื่อถูกความร้อนจะลดทองแดง (II) ออกไซด์เป็นทองแดง (2): CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. ค้นหาปริมาณของสารในปฏิกิริยาแรก: ม. (p-ra Hcl) = 18.7. 1.07 = 20.0 กรัม; ม.(HCl) = 20.0. 0.146 = 2.92 กรัม; v (HCl) \u003d 2.92 / 36.5 \u003d 0.08 โมล; v(Zn) = 2.0/65 = 0.031 โมล ธาตุสังกะสีไม่เพียงพอ ดังนั้นปริมาณไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมาคือ: v (H 2) \u003d v (Zn) \u003d 0.031 โมล ในปฏิกิริยาที่สอง ไฮโดรเจนไม่เพียงพอเพราะ: v (CuO) \u003d 4.0 / 80 \u003d 0.05 โมล จากผลของปฏิกิริยา 0.031 โมลของ CuO จะเปลี่ยนเป็น 0.031 โมลของ Cu และการสูญเสียมวลจะเป็น: ม. (СuО) - ม. (Сu) \u003d 0.031 × 80 - 0.031 × 64 \u003d 0.50 ก. มวลของส่วนผสมที่เป็นของแข็งของ CuO กับ Cu หลังจากผ่านไฮโดรเจนจะเป็นดังนี้: 4.0-0.5 = 3.5 ก.
ตอบ	มวลของส่วนผสมที่เป็นของแข็งของ CuO กับ Cu คือ 3.5 กรัม

ธาตุที่มีมากที่สุดในจักรวาลคือไฮโดรเจน ในเรื่องของดวงดาว มันมีรูปแบบของนิวเคลียส - โปรตอน - และเป็นวัสดุสำหรับกระบวนการทางความร้อนนิวเคลียร์ เกือบครึ่งหนึ่งของมวลดวงอาทิตย์ยังประกอบด้วยโมเลกุล H 2 ปริมาณของมันในเปลือกโลกถึง 0.15% และอะตอมมีอยู่ในองค์ประกอบของน้ำมันก๊าซธรรมชาติและน้ำ ร่วมกับออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอน เป็นองค์ประกอบที่ก่อให้เกิดอวัยวะซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลก ในบทความของเรา เราจะศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของไฮโดรเจน กำหนดขอบเขตหลักของการใช้งานในอุตสาหกรรมและความสำคัญในธรรมชาติ

ตำแหน่งในระบบธาตุเคมีของ Mendeleev

ธาตุแรกที่เปิดตารางธาตุคือไฮโดรเจน มวลอะตอมของมันคือ 1.0079 มันมีสองเสถียร (โพรเทียมและดิวเทอเรียม) และไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีหนึ่งไอโซโทป (ทริเทียม) คุณสมบัติทางกายภาพถูกกำหนดโดยตำแหน่งของอโลหะในตารางองค์ประกอบทางเคมี ภายใต้สภาวะปกติ ไฮโดรเจน (สูตรของมันคือ H 2) เป็นก๊าซที่เบากว่าอากาศเกือบ 15 เท่า โครงสร้างอะตอมของธาตุมีลักษณะเฉพาะ: ประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว โมเลกุลของสารเป็นไดอะตอมมิก อนุภาคในสารนั้นเชื่อมต่อกันโดยใช้พันธะโควาเลนต์แบบไม่มีขั้ว ความเข้มของพลังงานค่อนข้างสูง - 431 kJ สิ่งนี้อธิบายกิจกรรมทางเคมีต่ำของสารประกอบภายใต้สภาวะปกติ สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของไฮโดรเจนคือ H:H

สารยังมีคุณสมบัติหลายประการที่ไม่มีการเปรียบเทียบระหว่างอโลหะอื่นๆ ลองพิจารณาบางส่วนของพวกเขา

ความสามารถในการละลายและการนำความร้อน

โลหะนำความร้อนได้ดีที่สุด แต่ไฮโดรเจนเข้าใกล้พวกมันในแง่ของการนำความร้อน คำอธิบายของปรากฏการณ์นี้อยู่ที่ความเร็วที่สูงมากของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลแสงของสสาร ดังนั้น ในบรรยากาศไฮโดรเจน วัตถุที่ให้ความร้อนจะเย็นตัวลงเร็วกว่าในอากาศถึง 6 เท่า สารประกอบสามารถละลายได้ดีในโลหะ ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนเกือบ 900 ปริมาตรสามารถดูดซับด้วยแพลเลเดียมหนึ่งปริมาตร โลหะสามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีกับ H 2 ซึ่งมีคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ของไฮโดรเจน ในกรณีนี้จะเกิดไฮไดรด์:

2Na + H 2 \u003d 2 NaH.

ในปฏิกิริยานี้ อะตอมของธาตุรับอิเล็กตรอนจากอนุภาคโลหะ กลายเป็นแอนไอออนที่มีประจุลบเป็นหน่วย สารอย่างง่าย H 2 ในกรณีนี้คือตัวออกซิไดซ์ซึ่งมักจะไม่ธรรมดาสำหรับสารนี้

ไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์

โลหะและไฮโดรเจนรวมกันไม่เพียงโดยการนำความร้อนสูง แต่ยังรวมถึงความสามารถของอะตอมในกระบวนการทางเคมีในการบริจาคอิเล็กตรอนของตัวเองซึ่งก็คือการออกซิไดซ์ ตัวอย่างเช่น ออกไซด์พื้นฐานทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน ปฏิกิริยารีดอกซ์จบลงด้วยการปล่อยโลหะบริสุทธิ์และการก่อตัวของโมเลกุลของน้ำ:

CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O.

ปฏิกิริยาของสารกับออกซิเจนในระหว่างการให้ความร้อนยังนำไปสู่การผลิตโมเลกุลของน้ำ กระบวนการนี้เป็นแบบคายความร้อนและมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานความร้อนจำนวนมาก หากส่วนผสมของก๊าซ H 2 และ O 2 ทำปฏิกิริยาในอัตราส่วน 2: 1 จะถูกเรียกเพราะมันจะระเบิดเมื่อจุดไฟ:

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

น้ำมีบทบาทสำคัญต่อการก่อตัวของไฮโดรสเฟียร์ ภูมิอากาศ และสภาพอากาศของโลก มันให้การไหลเวียนขององค์ประกอบในธรรมชาติสนับสนุนกระบวนการชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด - ผู้อาศัยในโลกของเรา

ปฏิกิริยากับอโลหะ

คุณสมบัติทางเคมีที่สำคัญที่สุดของไฮโดรเจนคือปฏิกิริยากับธาตุที่ไม่ใช่โลหะ ภายใต้สภาวะปกติ พวกมันค่อนข้างเฉื่อยทางเคมี ดังนั้นสารสามารถทำปฏิกิริยากับฮาโลเจนเท่านั้น เช่น กับฟลูออรีนหรือคลอรีน ซึ่งมีฤทธิ์มากที่สุดในบรรดาอโลหะทั้งหมด ดังนั้น ส่วนผสมของฟลูออรีนและไฮโดรเจนจึงระเบิดในที่มืดหรือในที่เย็น และกับคลอรีน - เมื่อถูกความร้อนหรืออยู่ในแสง ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะเป็นไฮโดรเจนเฮไลด์ ซึ่งเป็นสารละลายในน้ำที่เรียกว่ากรดฟลูออไรด์และคลอไรด์ C ทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 450-500 องศาความดัน 30-100 MPa และต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา:

N₂ + 3H₂ ⇔ p, t, kat ⇔ 2NH₃.

คุณสมบัติทางเคมีที่พิจารณาแล้วของไฮโดรเจนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น คุณสามารถรับผลิตภัณฑ์เคมีที่มีค่า - แอมโมเนีย เป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตกรดไนเตรตและปุ๋ยไนโตรเจน ได้แก่ ยูเรีย แอมโมเนียมไนเตรต

อินทรียฺวัตถุ

ระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจนนำไปสู่การผลิตไฮโดรคาร์บอน - มีเทนที่ง่ายที่สุด:

C + 2H 2 = CH 4

สารเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของสารธรรมชาติและใช้เป็นเชื้อเพลิงและวัตถุดิบที่มีคุณค่าสำหรับอุตสาหกรรมการสังเคราะห์สารอินทรีย์

ในเคมีของสารประกอบคาร์บอน ธาตุจะรวมอยู่ในสารจำนวนมาก: แอลเคน แอลคีน คาร์โบไฮเดรต แอลกอฮอล์ ฯลฯ ปฏิกิริยาหลายอย่างของสารประกอบอินทรีย์ที่มีโมเลกุล H 2 เป็นที่ทราบกันดี เรียกรวมกันว่าไฮโดรจิเนชันหรือไฮโดรจิเนชัน ดังนั้นอัลดีไฮด์สามารถลดลงได้ด้วยไฮโดรเจนเป็นแอลกอฮอล์ ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว - เป็นอัลเคน ตัวอย่างเช่น เอทิลีนจะถูกแปลงเป็นอีเทน:

C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6

คุณสมบัติทางเคมีของไฮโดรเจนมีความสำคัญอย่างยิ่ง เช่น การเติมไฮโดรเจนของน้ำมันเหลว: ดอกทานตะวัน ข้าวโพด และเรพซีด นำไปสู่การผลิตไขมันแข็ง - น้ำมันหมู ซึ่งใช้ในการผลิตกลีเซอรีน สบู่ สเตียริน มาการีนชนิดแข็ง เพื่อปรับปรุงรูปลักษณ์และรสชาติของผลิตภัณฑ์อาหาร นม ไขมันสัตว์ น้ำตาล และวิตามินจะถูกเพิ่มเข้าไป

ในบทความของเรา เราได้ศึกษาคุณสมบัติของไฮโดรเจนและพบว่ามีบทบาทในธรรมชาติและชีวิตมนุษย์