الكيمياء العضوية. هيدروجين. الخصائص الفيزيائية والكيميائية للحصول على معادلة تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين

الكيمياء العامة وغير العضوية

المحاضرة 6. الهيدروجين والأكسجين. ماء. بيروكسيد الهيدروجين.

هيدروجين

ذرة الهيدروجين هي أبسط كائن في الكيمياء. بالمعنى الدقيق للكلمة ، فإن أيونه - البروتون - أبسط. تم وصفه لأول مرة عام 1766 بواسطة كافنديش. الاسم من اليونانية. "الجينات المائية" - يولد الماء.

نصف قطر ذرة الهيدروجين حوالي 0.5 * 10-10 م ، وأيونها (بروتون) هو 1.2 * 10-15 م.أو من 50 م إلى 1.2 * 10-3 م أو من 50 مترا (قطري CXA) يصل إلى 1 مم.

يتغير عنصر 1s التالي ، الليثيوم ، فقط من 155 مساءً إلى 68 مساءً لـ Li +. هذا الاختلاف في حجم الذرة وكاتيونها (5 أوامر من حيث الحجم) فريد من نوعه.

نظرا لصغر حجم البروتون ، فإن التبادل رابطة الهيدروجين، بشكل أساسي بين ذرات الأكسجين والنيتروجين والفلور. قوة روابط الهيدروجين هي 10-40 كيلو جول / مول ، وهو أقل بكثير من طاقة التكسير لمعظم الروابط العادية (100-150 كيلو جول / مول في الجزيئات العضوية) ، ولكن أكثر من متوسط الطاقة الحركية للحركة الحرارية عند 370 درجة مئوية. (4 كيلو جول / مول). نتيجة لذلك ، في الكائن الحي ، تنكسر الروابط الهيدروجينية بشكل عكسي ، مما يضمن مسار العمليات الحيوية.

يذوب الهيدروجين عند 14 كلفن ، ويغلي عند 20.3 كلفن (ضغط 1 ضغط جوي) ، كثافة الهيدروجين السائل 71 جم / لتر (14 مرة أخف من الماء).

تم العثور على ذرات الهيدروجين المثارة مع انتقالات تصل إلى n 733 → 732 بطول موجة 18 مترًا في وسط بين نجمي مخلخل ، والذي يتوافق مع نصف قطر Bohr (r = n2 * 0.5 * 10-10 m) بترتيب 0.1 مم ( !).

العنصر الأكثر انتشارًا في الفضاء (88.6٪ من الذرات ، 11.3٪ من الذرات عبارة عن هيليوم ، و 0.1٪ فقط ذرات من جميع العناصر الأخرى).

4 H → 4 He + 26.7 MeV 1 eV = 96.48 kJ / mol

نظرًا لأن البروتونات تدور 1/2 ، فهناك ثلاثة أنواع مختلفة من جزيئات الهيدروجين:

orthohydrogen o-H2 مع يدور نووي متوازي ، باراهيدروجين p-H2 مع مضاديدور و n-H2 العادي - خليط من 75٪ ortho-hydrogen و 25٪ par-hydrogen. يطلق التحول o-H2 → p-H2 1418 J / mol.

خصائص ortho- و parahydrogen

نظرًا لأن الكتلة الذرية للهيدروجين هي الحد الأدنى الممكن ، فإن نظائره - الديوتيريوم D (2 H) والتريتيوم T (3 H) تختلف اختلافًا كبيرًا عن البروتيوم 1 H في الخصائص الفيزيائية والكيميائية. على سبيل المثال ، ينعكس استبدال أحد الهيدروجين في مركب عضوي بالديوتيريوم بشكل ملحوظ في طيفه الاهتزازي (الأشعة تحت الحمراء) ، مما يجعل من الممكن إنشاء بنية الجزيئات المعقدة. تستخدم مثل هذه البدائل ("طريقة الذرات الموسومة") أيضًا لتأسيس آليات المعقد

العمليات الكيميائية والبيوكيميائية. طريقة التتبع حساسة بشكل خاص عند استخدام التريتيوم المشع بدلاً من البروتيوم (تحلل بيتا ، نصف العمر 12.5 سنة).

خصائص البروتيوم والديوتيريوم

		الكثافة ، جم / لتر (20 كلفن)



الطريقة الرئيسية إنتاج الهيدروجينفي الصناعة - تحويل الميثان
أو ترطيب الفحم عند 800-11000 درجة مئوية (محفز):
CH4 + H2 O = CO + 3 H2	فوق 10000 درجة مئوية
"غاز الماء": C + H2 O = CO + H2	فوق 10000 درجة مئوية
ثم تحويل ثاني أكسيد الكربون: CO + H2 O = CO2 + H2			4000 ج ، أكاسيد الكوبالت

الإجمالي: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2

مصادر أخرى للهيدروجين.

غاز فرن الكوك: حوالي 55٪ هيدروجين ، 25٪ ميثان ، حتى 2٪ هيدروكربونات ثقيلة ، 4-6٪ CO2 ، 2٪ CO2 ، 10-12٪ نيتروجين.

الهيدروجين كمنتج احتراق:

Si + Ca (OH) 2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

يتم إطلاق ما يصل إلى 370 لترًا من الهيدروجين مقابل 1 كجم من خليط الألعاب النارية.

يستخدم الهيدروجين في شكل مادة بسيطة لإنتاج الأمونيا وتهدئة (تصلب) الدهون النباتية ، لتقليل أكاسيد معدنية معينة (الموليبدينوم ، التنغستن) ، لإنتاج الهيدريدات (LiH ، CaH2 ،

LiAlH4).

المحتوى الحراري للتفاعل: H. + H. = H2 هو -436 kJ / mol ، لذلك يستخدم الهيدروجين الذري للحصول على "لهب" مختزل بدرجة حرارة عالية ("Langmuir burner"). يتحلل تيار من الهيدروجين في قوس كهربائي عند 35000 درجة مئوية بنسبة 30٪ ، ثم أثناء إعادة تركيب الذرات ، يمكن الوصول إلى 50000 درجة مئوية.

يستخدم الهيدروجين المسال كوقود في الصواريخ (انظر الأكسجين). وقود واعد صديق للبيئة للنقل البري ؛ التجارب جارية على استخدام مركمات الهيدروجين هيدريد المعادن. على سبيل المثال ، يمكن لسبيكة LaNi5 أن تمتص كمية من الهيدروجين بمقدار 1.5-2 مرة أكثر مما تحتويه في نفس الحجم (مثل حجم السبيكة) من الهيدروجين السائل.

الأكسجين

وفقًا للبيانات المقبولة عمومًا ، تم اكتشاف الأكسجين عام 1774 بواسطة J. Priestley وبشكل مستقل بواسطة K. Scheele. قصة اكتشاف الأكسجين هي مثال جيد لتأثير النماذج على تقدم العلم (انظر الملحق 1).

على ما يبدو ، تم اكتشاف الأكسجين بالفعل في وقت أبكر بكثير من التاريخ الرسمي. في عام 1620 ، كان بإمكان أي شخص الركوب على نهر التايمز (في نهر التايمز) في غواصة صممها كورنيليوس فان دريبل. تحرك القارب تحت الماء بفضل جهود العشرات من المجدفين. وفقًا لشهادة العديد من شهود العيان ، نجح مخترع الغواصة في حل مشكلة التنفس عن طريق "إنعاش" الهواء الموجود فيها بطريقة كيميائية. كتب روبرت بويل في عام 1661: "... بالإضافة إلى الهيكل الميكانيكي للقارب ، كان لدى المخترع محلول كيميائي (سائل) ، وهو

يعتبر السر الرئيسي للغوص. وعندما أصبح مقتنعًا من وقت لآخر أن الجزء القابل للتنفس من الهواء قد تم استهلاكه بالفعل وجعل من الصعب على الأشخاص الموجودين في القارب التنفس ، يمكنه ، عن طريق فتح السفينة المليئة بهذا المحلول ، تجديد الهواء بسرعة باستخدام مثل هذا المحتوى من الأجزاء الحيوية التي تجعله مناسبًا مرة أخرى للتنفس لفترة طويلة بما فيه الكفاية ".

الشخص السليم في حالة هدوء يضخ حوالي 7200 لتر من الهواء عبر رئتيه يوميًا ، يأخذ 720 لترًا من الأكسجين بشكل غير قابل للاسترداد. في غرفة مغلقة بحجم 6 م 3 ، يمكن للشخص الصمود دون تهوية لمدة تصل إلى 12 ساعة ، والعمل البدني 3-4 ساعات. السبب الرئيسي لصعوبة التنفس ليس نقص الأكسجين ، ولكن تراكم ثاني أكسيد الكربونمن 0.3 إلى 2.5٪.

لفترة طويلة ، كانت الطريقة الرئيسية لإنتاج الأكسجين هي دورة "الباريوم" (الحصول على الأكسجين بطريقة برين):

BaSO4 -t- → BaO + SO3 ؛

5000 ج ->

BaO + 0.5 O2 ====== BaO2<- 7000 C

يمكن أن يكون حل Drebbel السري عبارة عن محلول بيروكسيد الهيدروجين: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

إنتاج الأكسجين أثناء احتراق خليط حراري: NaClO3 = NaCl + 1.5 O2 + 50.5 kJ

يحتوي الخليط على ما يصل إلى 80٪ NaClO3 ، حتى 10٪ مسحوق حديد ، 4٪ بيروكسيد الباريوم والصوف الزجاجي.

جزيء الأكسجين هو شبه مغناطيسي (عمليًا حيوي) ، وبالتالي فإن نشاطه مرتفع. تتأكسد المواد العضوية في الهواء خلال مرحلة تكوين البيروكسيد.

يذوب الأكسجين عند 54.8 كلفن ، ويغلي عند 90.2 كلفن.

تعديل متآثر لعنصر الأكسجين - مادة الأوزون O3. حماية الأوزون البيولوجية للأرض مهمة للغاية. على ارتفاع 20-25 كم ، يتم إنشاء توازن:

الأشعة فوق البنفسجية<280 нм		الأشعة فوق البنفسجية 280-320 نانومتر
O2 ----> 2 O *	O * + O2 + M -> O3	O3 -------	> O2 + O
	(M - N2، Ar)

في عام 1974 ، تم اكتشاف أن الكلور الذري ، الذي يتكون من الفريونات على ارتفاع يزيد عن 25 كم ، يحفز تحلل الأوزون ، كما لو كان يحل محل الأشعة فوق البنفسجية "الأوزون". هذه الأشعة فوق البنفسجية قادرة على التسبب في سرطان الجلد (في الولايات المتحدة تصل إلى 600 ألف حالة في السنة). كان الحظر المفروض على الفريونات في علب الهباء الجوي ساري المفعول في الولايات المتحدة منذ عام 1978.

منذ عام 1990 ، تتضمن قائمة المواد المحظورة (في 92 دولة) CH3 CCl3 ، و CCl4 ، والبروموهيدروكربونات المكلورة - تم تقليص إنتاجها بحلول عام 2000.

احتراق الهيدروجين في الأكسجين

رد الفعل معقد للغاية (الرسم التخطيطي في المحاضرة 3) ، لذلك كانت هناك حاجة لدراسة مطولة قبل بدء التطبيق العملي.

21 يوليو 1969 ، مشى ن. أرمسترونج على سطح القمر. يتكون صاروخ Saturn 5 (الذي صممه Wernher von Braun) من ثلاث مراحل. في الأول ، الكيروسين والأكسجين ، في الثاني والثالث - الهيدروجين والأكسجين السائل. إجمالي 468 طنًا من O2 و H2 السائل. تم إجراء 13 عملية إطلاق ناجحة.

منذ أبريل 1981 ، كانت الولايات المتحدة تحلق على متن مكوك الفضاء: 713 طنًا من O2 و H2 السائلين ، بالإضافة إلى معززين يعملان بالوقود الصلب بوزن 590 طنًا لكل منهما (الكتلة الإجمالية للوقود الصلب 987 طنًا). أول 40 كم يصعد إلى TTU ، من 40 إلى 113 كم تعمل المحركات بالهيدروجين والأكسجين.

15 مايو 1987 إطلاق أول إنرجيا ، 15 نوفمبر 1988 الرحلة الأولى والوحيدة من بوران. وزن الإطلاق 2400 طن ، كتلة الوقود (الكيروسين في

مقصورات جانبية سائلة O2 و H2) 2000 طن قوة المحرك 125000 ميغاواط حمولة 105 طن.

لم يكن الاحتراق دائمًا محكومًا وناجحًا.

في عام 1936 ، تم بناء أكبر منطاد هيدروجين في العالم LZ-129 "هيندنبورغ". حجم 200.000 م 3 ، طول حوالي 250 م ، قطر 41.2 م ، سرعة 135 كم / س بفضل 4 محركات بقوة 1100 حصان ، الحمولة 88 طناً ، قام المنطاد بـ 37 رحلة عبر المحيط الأطلسي وحمل أكثر من 3 آلاف راكب.

في 6 مايو 1937 ، أثناء رسو المنطاد في الولايات المتحدة ، انفجر المنطاد واحترق. واحد من أسباب محتملة- تخريب.

في 28 يناير 1986 ، في الثانية 74 من الرحلة ، انفجر تشالنجر بسبعة رواد فضاء - الرحلة الخامسة والعشرون لنظام المكوك. السبب هو عيب في مسرع الوقود الصلب.

برهنة:

انفجار غاز متفجر (خليط من الهيدروجين والأكسجين)

خلايا الوقود

البديل المهم تقنيًا لتفاعل الاحتراق هذا هو تقسيم العملية إلى قسمين:

الأكسدة الكهربية للهيدروجين (الأنود): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

الأكسجين الكهربائي (كاثود): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

النظام الذي يتم فيه "الاحتراق" - خلية الوقود... الكفاءة أعلى بكثير من كفاءة محطات الطاقة الحرارية ، حيث لا يوجد

مرحلة خاصة من توليد الحرارة. الكفاءة القصوى = ∆ G / H ؛ بالنسبة لاحتراق الهيدروجين ، يتم الحصول على 94٪.

عُرف هذا التأثير منذ عام 1839 ، ولكن تم تنفيذ أول خلايا وقود تعمل عمليًا.

في نهاية القرن العشرين في الفضاء (الجوزاء ، أبولو ، المكوك - الولايات المتحدة الأمريكية ، بوران - اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية).

آفاق خلايا الوقود [17]

أكد متحدث باسم Ballard Power Systems ، متحدثًا في مؤتمر علمي في واشنطن العاصمة ، أن محرك خلية الوقود سيصبح قابلاً للتطبيق تجاريًا عندما يفي بأربعة معايير رئيسية: انخفاض تكاليف الطاقة ، وزيادة المتانة ، وتقليل حجم المصنع والقدرة على البدء بسرعة في الطقس البارد ... يجب تخفيض تكلفة كيلو واط واحد من الطاقة المولدة من محطة خلايا الوقود إلى 30 دولارًا. وللمقارنة ، كان الرقم نفسه 103 دولارات في عام 2004 ، ومن المتوقع أن يصل في عام 2005 إلى 80 دولارًا. لتحقيق هذا السعر ، من الضروري إنتاج ما لا يقل عن 500 ألف محرك سنويًا. العلماء الأوروبيون أكثر حذرًا في توقعاتهم ويعتقدون أن الاستخدام التجاري لخلايا وقود الهيدروجين في صناعة السيارات لن يبدأ قبل عام 2020.

10.1 الهيدروجين

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

أ) عنصر الهيدروجين الكيميائي

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

الهيدروجين هو أحد أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض. الكسر المولي لذرات الهيدروجين في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري للأرض (كل هذا يُسمى قشرة الأرض) هو 0.17. توجد في الماء والعديد من المعادن والبترول والغاز الطبيعي والنباتات والحيوانات. يحتوي جسم الإنسان في المتوسط على حوالي 7 كيلوغرامات من الهيدروجين.

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

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

ب) ذرة الهيدروجين

من الأقسام السابقة لدورة الكيمياء ، أنت تعرف بالفعل الخصائص التالية لذرة الهيدروجين:

يتم تحديد قدرات التكافؤ لذرة الهيدروجين من خلال وجود إلكترون واحد في مدار تكافؤ واحد. طاقة التأين العالية تجعل ذرة الهيدروجين غير معرضة للتخلي عن الإلكترون ، وطاقة التقارب ليست عالية جدًا للإلكترون تؤدي إلى ميل بسيط لقبوله. وبالتالي ، في الأنظمة الكيميائية ، يكون تكوين الكاتيون H مستحيلًا ، والمركبات التي تحتوي على أنيون H ليست مستقرة جدًا. وهكذا ، بالنسبة لذرة الهيدروجين ، فإن أكثر ما يميز ذرة الهيدروجين هو تكوين رابطة تساهمية مع ذرات أخرى بسبب إلكترون واحد غير متزاوج. وفي حالة تكوين الأنيون ، وفي حالة تكوين رابطة تساهمية ، تكون ذرة الهيدروجين أحادية التكافؤ.
في مادة بسيطة ، تكون حالة أكسدة ذرات الهيدروجين صفرًا ، وفي معظم المركبات ، يُظهر الهيدروجين حالة أكسدة تبلغ + I ، وفقط في هيدرات أقل عناصر الهيدروجين كهرسلبية لها حالة أكسدة –I.
ترد معلومات عن قدرات التكافؤ لذرة الهيدروجين في الجدول 28. حالة التكافؤ لذرة الهيدروجين المرتبطة برابطة تساهمية واحدة مع أي ذرة يشار إليها في الجدول بالرمز "H-".

الجدول 28.قدرات التكافؤ لذرة الهيدروجين

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

ج) جزيء الهيدروجين

يتكون جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة H 2 عندما ترتبط ذرات الهيدروجين بالرابطة التساهمية الوحيدة الممكنة لها. يتم تشكيل السند من خلال آلية التبادل. بالمناسبة ، تتداخل السحب الإلكترونية ، هذا هو السندات s (الشكل 10.1 لكن). بما أن الذرات متشابهة ، فإن الرابطة ليست قطبية.

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

د) الهيدروجين (مادة)

في الظروف العادية ، يكون الهيدروجين غازًا عديم اللون والرائحة. بكميات صغيرة ، فهي غير سامة. يذوب الهيدروجين الصلب عند 14 كلفن (-259 درجة مئوية) ، ويغلي الهيدروجين السائل عند 20 كلفن (-253 درجة مئوية). نقاط انصهار وغليان منخفضة ، نطاق درجة حرارة صغير جدًا لوجود الهيدروجين السائل (6 درجات مئوية فقط) ، بالإضافة إلى قيم صغيرة للحرارة المولية للانصهار (0.117 كيلوجول / مول) والتبخير (0.903 كيلوجول / مول) تشير إلى أن الروابط بين الجزيئات في الهيدروجين ضعيفة للغاية.
كثافة الهيدروجين r (H 2) = (2 جم / مول): (22.4 لتر / مول) = 0.0893 جم / لتر. للمقارنة: متوسط كثافة الهواء 1.29 جرام / لتر. أي أن الهيدروجين أخف 14.5 مرة من الهواء. انه عمليا لا يذوب في الماء.
في درجة حرارة الغرفة ، يكون الهيدروجين غير نشط ، ولكن عند تسخينه ، يتفاعل مع العديد من المواد. في هذه التفاعلات ، يمكن لذرات الهيدروجين زيادة وتقليل حالة الأكسدة: Н 2 + 2 ه- = 2Н –I، Н 2-2 ه- = 2 س + أنا.
في الحالة الأولى ، الهيدروجين هو عامل مؤكسد ، على سبيل المثال ، في التفاعلات مع الصوديوم أو الكالسيوم: 2Na + H 2 = 2NaH ، ( ر) Ca + H 2 = CaH 2. ( ر)
لكن خصائص اختزال الهيدروجين أكثر تميزًا: O 2 + 2H 2 = 2H 2 O ، ( ر)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( ر)
عند تسخينه ، يتأكسد الهيدروجين ليس فقط بالأكسجين ، ولكن أيضًا بواسطة بعض المعادن الأخرى ، مثل الفلور والكلور والكبريت وحتى النيتروجين.
في المختبر ، يتم الحصول على الهيدروجين نتيجة التفاعل

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.

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

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

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ( ر، ني)

أو يتم معالجة الفحم عند درجة حرارة عالية ببخار الماء:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( ر)

يتم الحصول على الهيدروجين النقي من الماء عن طريق تحليله بالتيار الكهربائي (إخضاعه للتحليل الكهربائي):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (التحليل الكهربائي).

ه) مركبات الهيدروجين

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

ب 2 ح 6 ؛ CH 4 ؛ NH 3 ؛ ح 2 س ؛ HF
SiH 4 ؛ PH 3 ؛ H 2 S ؛ حمض الهيدروكلوريك
AsH 3 ؛ H 2 سي ؛ HBr
H 2 تي ؛ أهلا
باستثناء الماء ، كل هذه المركبات عبارة عن مواد غازية في درجة حرارة الغرفة ، ومن هنا جاء اسمها - "الهيدريد المتطاير".
توجد أيضًا بعض العناصر التي تتكون منها اللافلزات في الهيدريدات الأكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، يشكل الكربون مركبات مع الصيغ العامة C نح 2 ن+2 ، ج نح 2 ن، ج نح 2 ن–2 وغيرها ، أين نيمكن أن تكون كبيرة جدًا (يتم دراسة هذه المركبات بواسطة الكيمياء العضوية).
تشمل الهيدريدات الأيونية هيدرات العناصر القلوية والأرضية القلوية والمغنيسيوم. تتكون بلورات هذه الهيدرات من أنيون H وكاتيونات معدنية في أعلى حالة أكسدة Me أو Me 2 (اعتمادًا على مجموعة نظام العناصر).

LiH
ناه	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

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

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( ر, ر، Pt - محفز).

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

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

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

1. ما الجسيمات هي نوى أ) البروتيوم ، ب) الديوتيريوم ، ج) التريتيوم؟
2. قارن طاقة التأين لذرة الهيدروجين بطاقة التأين لذرات العناصر الأخرى. ما هو عنصر الهيدروجين الأقرب لهذه الخاصية؟
3. افعل الشيء نفسه بالنسبة لطاقة تقارب الإلكترون
4. قارن اتجاه استقطاب الرابطة التساهمية وحالة أكسدة الهيدروجين في المركبات: أ) BeH 2 ، CH 4 ، NH 3 ، H 2 O ، HF ؛ ب) CH 4 ، SiH 4 ، GeH 4.
5. اكتب أبسط صيغة جزيئية وتركيبية ومكانية للهيدروجين. أيهما أكثر شيوعًا؟
6. كثيرا ما يقال: "الهيدروجين أخف من الهواء". ماذا يعني هذا؟ متى يمكن أخذ هذا التعبير حرفياً ومتى لا؟
7. عمل الصيغ التركيبية من هيدرات البوتاسيوم والكالسيوم وكذلك الأمونيا وكبريتيد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين.
8. معرفة الحرارة المولية لانصهار وتبخر الهيدروجين ، وتحديد قيم الكميات المحددة المقابلة.
9. لكل من ردود الفعل الأربعة توضيح الرئيسي الخواص الكيميائيةالهيدروجين ، يشكلون ميزانًا إلكترونيًا. لاحظ المؤكسدات والعوامل المختزلة.
10. تحديد كتلة الزنك المطلوبة للحصول على 4.48 لتر من الهيدروجين بطريقة معملية.
11. حدد كتلة وحجم الهيدروجين الذي يمكن الحصول عليه من خليط 30 م 3 من الميثان وبخار الماء ، بنسبة حجم 1: 2 ، مع عائد 80٪.
12. قم بعمل معادلات التفاعلات التي تحدث في تفاعل الهيدروجين أ) مع الفلور ، ب) مع الكبريت.
13 - توضح مخططات التفاعل التالية الخصائص الكيميائية الرئيسية للهيدريدات الأيونية:

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

10.2 الأكسجين

كما في حالة الهيدروجين ، فإن كلمة "أكسجين" هي اسم كل من عنصر كيميائي ومادة بسيطة. بالإضافة إلى مادة بسيطة " الأكسجين "(dioxygen) عنصر الأكسجين الكيميائي يشكل مادة بسيطة أخرى تسمى " الأوزون "(ثلاثي الأكسجين). هذه تعديلات متآصلة للأكسجين. تتكون مادة الأكسجين من جزيئات الأكسجين O 2 ، وتتكون مادة الأوزون من جزيئات الأوزون O 3.

أ) عنصر الأكسجين الكيميائي

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

ب) ذرة الأكسجين

أنت على دراية بالخصائص التالية لذرة الأكسجين.

الجدول 29.تكافؤ ذرة الأكسجين

دولة التكافؤ		أمثلة على المواد الكيميائية
		Al 2 O 3، Fe 2 O 3، Cr 2 O 3 *

	- الثاني -أنا 0 + أنا + II	H 2 O، SO 2، SO 3، CO 2، SiO 2، H 2 SO 4، HNO 2، HClO 4، COCl 2، H 2 O 2 يا 2 ** O 2 F 2 من 2
		هيدروكسيد الصوديوم ، KOH ، Ca (OH) 2 ، Ba (OH) 2 Na 2 O 2 ، K 2 O 2 ، CaO 2 ، BaO 2
		Li 2 O ، Na 2 O ، MgO ، CaO ، BaO ، FeO ، La 2 O 3

* يمكن أيضًا اعتبار هذه الأكاسيد مركبات أيونية.
** ذرات الأكسجين في الجزيء ليست في حالة تكافؤ معينة ؛ هذا مجرد مثال لمادة ذات حالة أكسدة لذرات الأكسجين تساوي الصفر
تستبعد طاقة التأين العالية (مثل الهيدروجين) تكوين كاتيون بسيط من ذرة الأكسجين. طاقة تقارب الإلكترون عالية جدًا (ضعف طاقة الهيدروجين تقريبًا) ، مما يوفر ميلًا أكبر لذرة الأكسجين لربط الإلكترونات والقدرة على تكوين أنيون O 2A. لكن طاقة تقارب الإلكترون لذرة الأكسجين لا تزال أقل من طاقة ذرات الهالوجين وحتى عناصر أخرى من المجموعة VIA. لذلك ، أنيون الأكسجين ( أيونات الأكسيد) موجودة فقط في مركبات الأكسجين مع العناصر ، والتي تتبرع ذراتها بالإلكترونات بسهولة بالغة.
من خلال التنشئة الاجتماعية بين إلكترونين غير متزاوجين ، يمكن لذرة الأكسجين تكوين رابطتين تساهمية. نظرًا لاستحالة الإثارة ، لا يمكن لزوجين منفردين من الإلكترونات الدخول إلا في تفاعل متلقي-مانح. وهكذا ، دون مراعاة تعدد الرابطة والتهجين ، يمكن أن تكون ذرة الأكسجين في واحدة من خمس حالات تكافؤ (الجدول 29).
أكثر ما يميز ذرة الأكسجين هو حالة التكافؤ دبليو k = 2 ، أي تكوين رابطتين تساهمية بسبب إلكترونين غير متزاوجين.
تؤدي القدرة الكهربية العالية جدًا لذرة الأكسجين (أعلى - للفلور فقط) إلى حقيقة أن الأكسجين في معظم مركباته له حالة أكسدة –II. هناك مواد يُظهر فيها الأكسجين قيمًا أخرى لحالة الأكسدة ، بعضها موضح في الجدول 29 كأمثلة ، ويظهر الاستقرار المقارن في الشكل. 10.3.

ج) جزيء الأكسجين

ثبت تجريبياً أن جزيء الأكسجين ثنائي الذرة O 2 يحتوي على إلكترونين غير متزاوجين. باستخدام طريقة روابط التكافؤ ، لا يمكن تفسير مثل هذا الهيكل الإلكتروني لهذا الجزيء. ومع ذلك ، فإن الرابطة في جزيء الأكسجين قريبة من الخصائص التساهمية. جزيء الأكسجين غير قطبي. المسافة بين الذرات ( ص o - o = 1.21 A = 121 nm) أقل من المسافة بين الذرات المرتبطة برابطة بسيطة. طاقة الربط المولية عالية جدًا وتصل إلى 498 كيلو جول / مول.

د) الأكسجين (مادة)

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

في أغلب الأحيان ، نتيجة لمثل هذه التفاعلات ، يتم الحصول على أكاسيد مختلفة (انظر الفصل الثاني الفقرة 5) ، ولكن يتم تحويل الفلزات القلوية النشطة ، مثل الصوديوم ، إلى بيروكسيدات عن طريق الاحتراق:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

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

هـ) الأوزون وجزيئاته

الأوزون O 3 هو ثاني تعديل مؤثر للأكسجين.
جزيء الأوزون ثلاثي الذرات له بنية زاويّة في منتصف المسافة بين هيكلين ، ممثلة بالصيغ التالية:

الأوزون غاز أزرق داكن ذو رائحة نفاذة. بسبب نشاطه المؤكسد القوي ، فهو سام. الأوزون أثقل مرة ونصف من الأكسجين وأكثر بقليل من الأكسجين ، وسوف نذوب في الماء.
يتكون الأوزون في الغلاف الجوي من الأكسجين أثناء التفريغ الكهربائي البرق:

3O 2 = 2O 3 ().

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

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

الماء هو المادة الأكثر وفرة في القشرة الأرضية. تقدر كتلة مياه الأرض بـ 10 18 طنًا. الماء هو أساس الغلاف المائي لكوكبنا ، بالإضافة إلى أنه موجود في الغلاف الجوي ، على شكل جليد يشكل القمم القطبية للأرض والأنهار الجليدية الألبية ، وهو أيضًا جزء من الصخور المختلفة. تبلغ نسبة كتلة الماء في جسم الإنسان حوالي 70٪.
الماء هو المادة الوحيدة الموجودة في الثلاثة الدول الإجماليةلديهم أسماء خاصة بهم.

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

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

في الكيمياء ، يتم قياس العزم ثنائي القطب في Debyes: 1 D = 3.34. 10-30 سل. م

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

(H 2 O) = ,

أين ف 1 و ف 2 - الشحنات الجزئية (+) على ذرات الهيدروجين و - بين الذرات مسافات O - H في الجزيء. كما ف 1 = ف 2 = ف، ثم

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

الجدول 30.لحظات ثنائية القطب لبعض الجزيئات القطبية

مركب	مركب	مركب

نظرًا لطبيعة ثنائي القطب لجزيء الماء ، غالبًا ما يتم تصويره بشكل تخطيطي على النحو التالي:
الماء النقي سائل عديم اللون ، عديم الطعم والرائحة. ويرد في الجدول بعض الخصائص الفيزيائية الرئيسية للمياه.

الجدول 31.بعض الخصائص الفيزيائية للماء

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

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

10.4. رابطة الهيدروجين

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

في الصيغة الهيكلية الأخيرة ، تظهر ثلاث نقاط (خط منقط ، وليس إلكترونات!) الرابطة الهيدروجينية.

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

في فلوريد الهيدروجين السائل ، ترتبط جزيئاته بروابط هيدروجينية في سلاسل طويلة إلى حد ما ، وتتشكل شبكات ثلاثية الأبعاد في الأمونيا السائلة والصلبة.
من حيث القوة ، رابطة الهيدروجين وسيطة بين رابطة كيميائيةوأنواع أخرى من الروابط الجزيئية. تتراوح الطاقة المولارية لرابطة الهيدروجين عادة من 5 إلى 50 كيلوجول / مول.
في الماء الصلب (أي بلورات الجليد) ، تكون جميع ذرات الهيدروجين مرتبطة بهيدروجين ذرات الأكسجين ، حيث تشكل كل ذرة أكسجين رابطتين هيدروجينيتين (باستخدام كلا الزوجين الوحيدين من الإلكترونات). تجعل هذه البنية الجليد "أكثر مرونة" مقارنة بالماء السائل ، حيث تنكسر بعض الروابط الهيدروجينية ، وتكون الجزيئات قادرة على "حزم" بشكل أكثر كثافة إلى حد ما. تفسر هذه الميزة في بنية الجليد سبب كون الماء في الحالة الصلبة أقل كثافة منه في الحالة السائلة ، على عكس معظم المواد الأخرى. يصل الماء إلى أقصى كثافة له عند 4 درجات مئوية - عند درجة الحرارة هذه ، ينكسر الكثير من الروابط الهيدروجينية ، و التمدد الحراريليس له تأثير قوي جدًا على الكثافة.
الروابط الهيدروجينية مهمة جدًا في حياتنا. لنتخيل للحظة أن الروابط الهيدروجينية قد توقفت عن التكون. فيما يلي بعض العواقب:

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

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

ربط الهيدروجين ، شروط تكوينه.
معادلة الكحول الإيثيلي CH 3 –CH 2 –O - H. بين أي ذرات من جزيئات مختلفة من هذه المادة تتشكل روابط هيدروجينية؟ ارسم الصيغ الهيكلية لتوضيح تكوينها.
2. الروابط الهيدروجينية لا توجد فقط في المواد الفردية ، ولكن أيضًا في المحاليل. أظهر بمساعدة الصيغ الهيكلية كيف تتشكل روابط الهيدروجين في محلول مائي من أ) الأمونيا ، ب) فلوريد الهيدروجين ، ج) الإيثانول (كحول الإيثيل). = 2H 2 O.
كلا هذين التفاعلين يحدثان في الماء باستمرار وبمعدل متساوٍ ، لذلك يوجد توازن في الماء: 2H 2 O AH 3 O + OH.
هذا التوازن يسمى توازن الانحلال الذاتيماء.

يكون التفاعل المباشر لهذه العملية القابلة للانعكاس ماصًا للحرارة ، وبالتالي ، عند تسخينه ، يزداد التحلل الذاتي ، ولكن في درجة حرارة الغرفة يتحول التوازن إلى اليسار ، أي أن تركيز أيونات H 3 O و OH لا يكاد يذكر. ماذا هم متساوون؟
وفقا لقانون التمثيل الجماهيري

ولكن نظرًا لحقيقة أن عدد جزيئات الماء المتفاعلة مقارنة بالعدد الإجمالي لجزيئات الماء غير ذي أهمية ، يمكن افتراض أن تركيز الماء أثناء التحلل الذاتي لا يتغير عمليًا ، و 2 = const مثل هذا التركيز المنخفض من الأيونات مشحونة معاكسة في ماء نظيفيشرح لماذا هذا السائل ، على الرغم من أنه سيئ ، لا يزال يدير تيارًا كهربائيًا.

التحلل الذاتي للماء ، ثابت من التحلل الذاتي (المنتج الأيوني) من الماء.
المنتج الأيوني للأمونيا السائلة (نقطة الغليان - 33 درجة مئوية) هو 2 · 10 –28. اصنع معادلة التحلل التلقائي للأمونيا. تحديد تركيز أيونات الأمونيوم في الأمونيا السائلة النقية. أي من المواد ذات الموصلية الكهربائية الأعلى ، الماء أم الأمونيا السائلة؟

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

الغرض من الدرس.في هذا الدرس ، ستتعرف على أهم العناصر الكيميائية للحياة على الأرض - الهيدروجين والأكسجين ، وتتعرف على خصائصها الكيميائية ، وكذلك حول الخصائص الفيزيائية للمواد البسيطة التي تتكون منها ، وتتعلم المزيد عن دور الأكسجين والأكسجين. الهيدروجين في الطبيعة وحياة الإنسان.

هيدروجين- العنصر الأكثر شيوعًا في الكون. الأكسجين- العنصر الأكثر وفرة على وجه الأرض. يشكلون معًا الماء - مادة تشكل أكثر من نصف كتلة جسم الإنسان. الأكسجين غاز نحتاجه للتنفس ، وبدون الماء لا نستطيع العيش لعدة أيام ، لذلك يمكن بلا شك اعتبار الأكسجين والهيدروجين من أهم العناصر الكيميائية الضرورية للحياة.

هيكل ذرات الهيدروجين والأكسجين

وهكذا ، يُظهر الهيدروجين خصائص غير معدنية. في الطبيعة ، يوجد الهيدروجين على شكل ثلاثة نظائر ، البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم ، تختلف نظائر الهيدروجين اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض في الخصائص الفيزيائية ، لذلك يتم تخصيص رموز فردية لها.

إذا كنت لا تتذكر أو لا تعرف ما هي النظائر ، فاستخدم مواد المصدر التعليمي الإلكتروني "النظائر كأصناف من ذرات عنصر كيميائي واحد". سوف تتعلم فيه كيف تختلف نظائر عنصر واحد عن بعضها البعض ، مما يؤدي إلى وجود العديد من النظائر في عنصر واحد ، وكذلك التعرف على نظائر العديد من العناصر.

وبالتالي ، فإن حالات الأكسدة المحتملة للأكسجين تقتصر على القيم من -2 إلى +2. إذا قبل الأكسجين إلكترونين (يصبحان أنيونًا) أو شكل رابطتين تساهمية مع عناصر أقل كهرسلبية ، فإنه ينتقل إلى حالة الأكسدة -2. إذا شكل الأكسجين رابطة واحدة مع ذرة أكسجين أخرى ، والرابطة الثانية بذرة عنصر أقل كهرسلبية ، فإنها تنتقل إلى حالة الأكسدة -1. بتكوين رابطتين تساهمية مع الفلور (العنصر الوحيد ذو قيمة كهرسلبية أعلى) ، ينتقل الأكسجين إلى حالة الأكسدة +2. تكوين رابطة مع ذرة أكسجين أخرى ، والثانية بذرة فلور - +1. أخيرًا ، إذا كان الأكسجين يشكل رابطة واحدة مع ذرة أقل كهربيًا ورابطة أخرى مع الفلور ، فسيكون في حالة الأكسدة 0.

الخصائص الفيزيائية للهيدروجين والأكسجين ، تآصل الأكسجين

هيدروجين- غاز عديم اللون والرائحة والمذاق. خفيف جدا (14.5 مرة أخف من الهواء). درجة حرارة تسييل الهيدروجين - -252.8 درجة مئوية - هي الأدنى تقريبًا بين جميع الغازات (في المرتبة الثانية بعد الهيليوم). الهيدروجين السائل والصلب مواد خفيفة للغاية عديمة اللون.

الأكسجين- غاز عديم اللون ، عديم الرائحة والمذاق ، أثقل قليلاً من الهواء. عند درجة حرارة -182.9 درجة مئوية ، يتحول إلى سائل أزرق ثقيل ، عند -218 درجة مئوية يتجمد مع تكوين بلورات زرقاء. جزيئات الأكسجين هي جزيئات مغناطيسية ، مما يعني أن الأكسجين ينجذب بواسطة المغناطيس. الأكسجين ضعيف الذوبان في الماء.

على عكس الهيدروجين ، الذي يشكل جزيئات من نوع واحد فقط ، يُظهر الأكسجين التآصل ويشكل جزيئات من نوعين ، أي أن عنصر الأكسجين يشكل مادتين بسيطتين: الأكسجين والأوزون.

الخواص الكيميائية وإنتاج المواد البسيطة

هيدروجين.

الرابطة في جزيء الهيدروجين أحادية ، لكنها واحدة من أقوى الروابط الفردية في الطبيعة ، وتتطلب الكثير من الطاقة لتكسيرها ، ولهذا السبب يكون الهيدروجين غير نشط للغاية في درجة حرارة الغرفة ، ومع ذلك ، عندما ترتفع درجة الحرارة ( أو في وجود محفز) ، يتفاعل الهيدروجين بسهولة مع العديد من المواد البسيطة والمعقدة.

من وجهة نظر كيميائية ، يعتبر الهيدروجين مادة غير فلزية نموذجية. أي أنها قادرة على التفاعل مع المعادن النشطة لتكوين الهيدريدات ، والتي تظهر فيها حالة أكسدة -1. مع بعض المعادن (الليثيوم والكالسيوم) ، يستمر التفاعل حتى في درجة حرارة الغرفة ، ولكن ببطء إلى حد ما ، لذلك يتم استخدام التسخين في تخليق الهيدريدات:

تكوين الهيدريدات بالتفاعل المباشر للمواد البسيطة ممكن فقط للمعادن النشطة. بالفعل لا يتفاعل الألمنيوم مع الهيدروجين بشكل مباشر ، يتم الحصول على هيدريده عن طريق تفاعلات التبادل.

يتفاعل الهيدروجين أيضًا مع غير المعادن فقط عند تسخينه. الاستثناءات هي هالوجينات الكلور والبروم ، والتي يمكن أن يحدث التفاعل بها بواسطة الضوء:

لا يتطلب التفاعل مع الفلور أيضًا تسخينًا ؛ فهو يستمر بشكل متفجر حتى مع التبريد القوي وفي الظلام المطلق.

يستمر التفاعل مع الأكسجين وفقًا لآلية متفرعة السلسلة ، وبالتالي يزداد معدل التفاعل بسرعة ، وفي مزيج من الأكسجين مع الهيدروجين بنسبة 1: 2 ، يستمر التفاعل مع انفجار (يسمى هذا الخليط "غاز التفجير "):

يستمر التفاعل مع الكبريت بشكل أكثر هدوءًا ، مع عدم إطلاق حرارة عمليًا:

التفاعلات مع النيتروجين واليود قابلة للعكس:

هذا الظرف يعقد بشكل كبير إنتاج الأمونيا في الصناعة: تتطلب العملية استخدام ضغط دم مرتفعلخلط التوازن نحو تكوين الأمونيا. لا يتم الحصول على يوديد الهيدروجين عن طريق التوليف المباشر ، حيث توجد عدة طرق أكثر ملاءمة لتركيبه.

لا يتفاعل الهيدروجين بشكل مباشر مع غير المعادن منخفضة النشاط () ، على الرغم من معرفة مركباته بها.

في التفاعلات مع المواد المعقدة ، يعمل الهيدروجين في معظم الحالات كعامل مختزل. في المحاليل ، يمكن للهيدروجين تقليل المعادن منخفضة النشاط (الموجودة بعد الهيدروجين في سلسلة من الفولتية) من أملاحها:

عند تسخين الهيدروجين ، يمكن أن يقلل العديد من المعادن من أكاسيدها. علاوة على ذلك ، كلما زاد نشاط المعدن ، زادت صعوبة استعادته وزادت درجة الحرارة اللازمة لذلك:

يكاد يكون من المستحيل تقليل المعادن الأكثر نشاطًا من الزنك باستخدام الهيدروجين.

يتم الحصول على الهيدروجين في المختبر عن طريق تفاعل المعادن مع أحماض قوية... الزنك وحمض الهيدروكلوريك الأكثر استخدامًا:

التحليل الكهربائي للماء الأقل شيوعًا في وجود إلكتروليتات قوية:

في الصناعة ، يتم الحصول على الهيدروجين كمنتج ثانوي في إنتاج الصودا الكاوية عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم:

بالإضافة إلى ذلك ، يتم الحصول على الهيدروجين من تكرير البترول.

يعد إنتاج الهيدروجين عن طريق التحلل الضوئي للماء أحد أكثر الطرق الواعدة في المستقبل ، ولكن في الوقت الحالي تطبيق الصناعيهذه الطريقة صعبة.

العمل مع مصادر التعلم الإلكتروني العمل المخبري"الحصول على وخصائص الهيدروجين" والعمل المخبري "تقليل خصائص الهيدروجين". ادرس مبدأ تشغيل جهاز Kipp وجهاز Kiryushkin. فكر ، في الحالات التي يكون فيها استخدام جهاز Kipp أكثر ملاءمة ، وفي أي - Kiryushkin. ما هي الخصائص التي يظهرها الهيدروجين في التفاعلات؟

الأكسجين.

الرابطة في جزيء الأكسجين مزدوجة وقوية للغاية. لذلك ، الأكسجين غير نشط إلى حد ما في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك ، عند تسخينه ، يبدأ في إظهار خصائص مؤكسدة قوية.

يتفاعل الأكسجين بدون تسخين مع المعادن النشطة (القلوية والأرض القلوية وبعض اللانثانيدات):

عند تسخينه ، يتفاعل الأكسجين مع معظم المعادن لتكوين أكاسيد:

لا يتأكسد الأكسجين والمعادن الأقل نشاطًا.

يتفاعل الأكسجين أيضًا مع معظم اللافلزات لتكوين أكاسيد:

يتفاعل مع النيتروجين فقط في درجات حرارة عالية جدًا ، حوالي 2000 درجة مئوية.

لا يتفاعل الأكسجين مع الكلور والبروم واليود ، على الرغم من أنه يمكن الحصول على العديد من أكاسيدها بشكل غير مباشر.

يمكن إجراء تفاعل الأكسجين مع الفلور عن طريق تمرير تفريغ كهربائي عبر خليط من الغازات:

فلوريد الأكسجين (II) مركب غير مستقر ، يتحلل بسهولة وهو عامل مؤكسد قوي للغاية.

في المحاليل ، الأكسجين عامل مؤكسد قوي ، وإن كان بطيئًا. كقاعدة عامة ، يشجع الأكسجين انتقال المعادن إلى حالات أكسدة أعلى:

غالبًا ما يؤدي وجود الأكسجين إلى الذوبان في معادن الأحماض الموجودة خلف الهيدروجين مباشرةً في سلسلة من الفولتية:

عند تسخين الأكسجين يمكن أن يؤكسد أكاسيد المعادن المنخفضة:

لا يتم إنتاج الأكسجين في الصناعة بالطرق الكيميائية ؛ بل يتم الحصول عليه من الهواء عن طريق التقطير.

يستخدم المختبر تفاعلات التحلل للمركبات الغنية بالأكسجين - النترات والكلورات والبرمنجنات عند تسخينها:

يمكنك أيضًا الحصول على الأكسجين عن طريق التحلل التحفيزي لبيروكسيد الهيدروجين:

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام تفاعل التحليل الكهربائي للماء أعلاه لتوليد الأكسجين.

العمل بمواد المصدر التعليمي الالكتروني. العمل المخبري "الحصول على الاوكسجين وخصائصه".

ما اسم طريقة جمع الأكسجين المستخدمة في العمل المخبري؟ ما هي الطرق الأخرى لتجميع الغازات ، وأي منها مناسب لتجميع الأكسجين؟

المهمة 1. شاهد فيديو "تحلل برمنجنات البوتاسيوم عند التسخين".

أجب على الأسئلة:

1. أي من نواتج التفاعل الصلب قابل للذوبان في الماء؟
2. ما هو لون محلول برمنجنات البوتاسيوم؟
3. ما لون محلول منجنات البوتاسيوم؟

اكتب معادلات التفاعلات التي تحدث. معادلهم باستخدام طريقة التوازن الإلكتروني.

ناقش المهمة مع المعلم في أو في غرفة الفيديو.

الأوزون.

جزيء الأوزون ثلاثي الذرات والروابط الموجودة فيه أقل قوة من جزيء الأكسجين ، مما يؤدي إلى نشاط كيميائي أكبر للأوزون: يؤدي الأوزون بسهولة إلى أكسدة العديد من المواد في المحاليل أو في شكل جاف دون تسخين:

الأوزون قادر على أكسدة أكسيد النيتروجين (IV) بسهولة إلى أكسيد النيتروجين (V) ، وأكسيد الكبريت (IV) إلى أكسيد الكبريت (VI) بدون محفز:

يتحلل الأوزون تدريجياً ليشكل الأكسجين:

للحصول على الأوزون ، يتم استخدام أجهزة خاصة - أجهزة الأوزون ، حيث يتم تمرير تفريغ الوهج عبر الأكسجين.

في المختبر ، للحصول على كميات صغيرة من الأوزون ، تُستخدم أحيانًا تفاعلات التحلل لمركبات البيروكسو وبعض الأكاسيد العالية عند تسخينها:

العمل بمواد المصدر التعليمي الإلكتروني. العمل المخبري "الحصول على الأوزون ودراسة خصائصه".

اشرح سبب تغير لون محلول النيلي. اكتب معادلات التفاعلات التي تحدث عندما يتم خلط محاليل نترات الرصاص وكبريتيد الصوديوم وعندما يتم تمرير الهواء المعالج بالأوزون من خلال التعليق الناتج. لتفاعل التبادل الأيوني ، يؤلف المعادلات الأيونية... لتفاعل الأكسدة والاختزال ، ارسم ميزانًا إلكترونيًا.

ناقش المهمة مع المعلم في أو في غرفة الفيديو.

الخواص الكيميائية للماء

للتعرف بشكل أفضل على الخصائص الفيزيائيةالماء وأهميته ، العمل بمواد المصادر التعليمية الإلكترونية "خصائص غير طبيعية للماء" و "الماء أهم سائل على وجه الأرض".

الماء له أهمية كبيرة لجميع الكائنات الحية - في الواقع ، تتكون العديد من الكائنات الحية من أكثر من نصف الماء. يعد الماء أحد أكثر المذيبات تنوعًا (في درجات الحرارة والضغط المرتفعين ، تزداد قدراته كمذيب بشكل كبير). من وجهة نظر كيميائية ، الماء هو أكسيد الهيدروجين ، بينما في محلول مائي يتفكك (وإن كان إلى حد صغير جدًا) إلى كاتيونات الهيدروجين وأنيونات الهيدروكسيد:

يتفاعل الماء مع العديد من المعادن. مع الماء النشط (القلوي والقلوي وبعض اللانثانيدات) يتفاعل الماء دون تسخين:

يحدث التفاعل مع أقل نشاطًا عند التسخين.

10.1 الهيدروجين

أ) عنصر الهيدروجين الكيميائي

ب) ذرة الهيدروجين

من الأقسام السابقة لدورة الكيمياء ، أنت تعرف بالفعل الخصائص التالية لذرة الهيدروجين:

الجدول 28.قدرات التكافؤ لذرة الهيدروجين

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

ج) جزيء الهيدروجين

د) الهيدروجين (مادة)

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ( ر، ني)

أو يتم معالجة الفحم عند درجة حرارة عالية ببخار الماء:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( ر)

يتم الحصول على الهيدروجين النقي من الماء عن طريق تحليله بالتيار الكهربائي (إخضاعه للتحليل الكهربائي):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (التحليل الكهربائي).

ه) مركبات الهيدروجين

LiH
ناه	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( ر, ر، Pt - محفز).

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

1. ما الجسيمات هي نوى أ) البروتيوم ، ب) الديوتيريوم ، ج) التريتيوم؟
2. قارن طاقة التأين لذرة الهيدروجين بطاقة التأين لذرات العناصر الأخرى. ما هو عنصر الهيدروجين الأقرب لهذه الخاصية؟
3. افعل الشيء نفسه بالنسبة لطاقة تقارب الإلكترون
4. قارن اتجاه استقطاب الرابطة التساهمية وحالة أكسدة الهيدروجين في المركبات: أ) BeH 2 ، CH 4 ، NH 3 ، H 2 O ، HF ؛ ب) CH 4 ، SiH 4 ، GeH 4.
5. اكتب أبسط صيغة جزيئية وتركيبية ومكانية للهيدروجين. أيهما أكثر شيوعًا؟
6. كثيرا ما يقال: "الهيدروجين أخف من الهواء". ماذا يعني هذا؟ متى يمكن أخذ هذا التعبير حرفياً ومتى لا؟
7. عمل الصيغ التركيبية من هيدرات البوتاسيوم والكالسيوم وكذلك الأمونيا وكبريتيد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين.
8. معرفة الحرارة المولية لانصهار وتبخر الهيدروجين ، وتحديد قيم الكميات المحددة المقابلة.
9- لكل تفاعل من التفاعلات الأربعة التي توضح الخصائص الكيميائية الأساسية للهيدروجين ، ارسم ميزانًا إلكترونيًا. لاحظ المؤكسدات والعوامل المختزلة.
10. تحديد كتلة الزنك المطلوبة للحصول على 4.48 لتر من الهيدروجين بطريقة معملية.
11. حدد كتلة وحجم الهيدروجين الذي يمكن الحصول عليه من خليط 30 م 3 من الميثان وبخار الماء ، بنسبة حجم 1: 2 ، مع عائد 80٪.
12. قم بعمل معادلات التفاعلات التي تحدث في تفاعل الهيدروجين أ) مع الفلور ، ب) مع الكبريت.
13 - توضح مخططات التفاعل التالية الخصائص الكيميائية الرئيسية للهيدريدات الأيونية:

10.2 الأكسجين

أ) عنصر الأكسجين الكيميائي

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

ب) ذرة الأكسجين

أنت على دراية بالخصائص التالية لذرة الأكسجين.

الجدول 29.تكافؤ ذرة الأكسجين

دولة التكافؤ		أمثلة على المواد الكيميائية
		Al 2 O 3، Fe 2 O 3، Cr 2 O 3 *

	- الثاني -أنا 0 + أنا + II	H 2 O، SO 2، SO 3، CO 2، SiO 2، H 2 SO 4، HNO 2، HClO 4، COCl 2، H 2 O 2 يا 2 ** O 2 F 2 من 2
		هيدروكسيد الصوديوم ، KOH ، Ca (OH) 2 ، Ba (OH) 2 Na 2 O 2 ، K 2 O 2 ، CaO 2 ، BaO 2
		Li 2 O ، Na 2 O ، MgO ، CaO ، BaO ، FeO ، La 2 O 3

ج) جزيء الأكسجين

د) الأكسجين (مادة)

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

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

هـ) الأوزون وجزيئاته

3O 2 = 2O 3 ().

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

في الكيمياء ، يتم قياس العزم ثنائي القطب في Debyes: 1 D = 3.34. 10-30 سل. م

(H 2 O) = ,

أين ف 1 و ف 2 - الشحنات الجزئية (+) على ذرات الهيدروجين و - بين الذرات مسافات O - H في الجزيء. كما ف 1 = ف 2 = ف، ثم

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

الجدول 30.لحظات ثنائية القطب لبعض الجزيئات القطبية

مركب	مركب	مركب

الجدول 31.بعض الخصائص الفيزيائية للماء

10.4. رابطة الهيدروجين

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

في الصيغة الهيكلية الأخيرة ، تظهر ثلاث نقاط (خط منقط ، وليس إلكترونات!) الرابطة الهيدروجينية.

في فلوريد الهيدروجين السائل ، ترتبط جزيئاته بروابط هيدروجينية في سلاسل طويلة إلى حد ما ، وتتشكل شبكات ثلاثية الأبعاد في الأمونيا السائلة والصلبة.
من حيث القوة ، تكون الرابطة الهيدروجينية وسيطة بين الرابطة الكيميائية وأنواع أخرى من الروابط بين الجزيئات. تتراوح الطاقة المولارية لرابطة الهيدروجين عادة من 5 إلى 50 كيلوجول / مول.
في الماء الصلب (أي بلورات الجليد) ، تكون جميع ذرات الهيدروجين مرتبطة بهيدروجين ذرات الأكسجين ، حيث تشكل كل ذرة أكسجين رابطتين هيدروجينيتين (باستخدام كلا الزوجين الوحيدين من الإلكترونات). تجعل هذه البنية الجليد "أكثر مرونة" مقارنة بالماء السائل ، حيث تنكسر بعض الروابط الهيدروجينية ، وتكون الجزيئات قادرة على "حزم" بشكل أكثر كثافة إلى حد ما. تفسر هذه الميزة في بنية الجليد سبب كون الماء في الحالة الصلبة أقل كثافة منه في الحالة السائلة ، على عكس معظم المواد الأخرى. يصل الماء إلى كثافته القصوى عند 4 درجات مئوية - عند درجة الحرارة هذه ، ينكسر الكثير من الروابط الهيدروجينية ، ولا يكون للتمدد الحراري تأثير قوي جدًا على الكثافة.
الروابط الهيدروجينية مهمة جدًا في حياتنا. لنتخيل للحظة أن الروابط الهيدروجينية قد توقفت عن التكون. فيما يلي بعض العواقب:

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

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

ربط الهيدروجين ، شروط تكوينه.
صيغة الكحول الإيثيلي هي CH 3 –CH 2 –O - H. بين أي ذرات من جزيئات مختلفة من هذه المادة تتشكل روابط هيدروجينية؟ ارسم الصيغ الهيكلية لتوضيح تكوينها.
2. الروابط الهيدروجينية لا توجد فقط في المواد الفردية ، ولكن أيضًا في المحاليل. أظهر بمساعدة الصيغ الهيكلية كيف تتشكل روابط الهيدروجين في محلول مائي من أ) الأمونيا ، ب) فلوريد الهيدروجين ، ج) الإيثانول (كحول الإيثيل). = 2H 2 O.
كلا هذين التفاعلين يحدثان في الماء باستمرار وبمعدل متساوٍ ، لذلك يوجد توازن في الماء: 2H 2 O AH 3 O + OH.
هذا التوازن يسمى توازن الانحلال الذاتيماء.

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

في منطقتنا الحياة اليوميةهناك أشياء شائعة جدًا يعرفها الجميع تقريبًا. على سبيل المثال ، يعلم الجميع أن الماء سائل ، يسهل الوصول إليه ولا يحترق ، لذلك يمكنه إطفاء الحريق. لكن هل تساءلت يومًا عن سبب ذلك؟

مصدر الصورة: pixabay.com

يتكون الماء من ذرات الهيدروجين والأكسجين. كلا هذين العنصرين يدعمان الاحتراق. لذلك ، بناءً على المنطق العام (وليس علميًا) ، يترتب على ذلك أن الماء يجب أن يحترق أيضًا ، أليس كذلك؟ ومع ذلك، هذا لا يحدث.

متى يحدث الاحتراق؟

الاحتراق هو عملية كيميائية تتحد فيها الجزيئات والذرات لتطلق طاقة على شكل حرارة وضوء. لحرق شيء ما ، تحتاج إلى شيئين - وقود كمصدر للاحتراق (على سبيل المثال ، ورقة ، قطعة من الخشب ، إلخ) ومؤكسد (الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي للأرض هو المؤكسد الرئيسي). نحتاج أيضًا إلى الحرارة اللازمة للوصول إلى درجة حرارة اشتعال المادة حتى تبدأ عملية الاحتراق.

مصدر الصورة auclip.ru

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك عملية حرق الورق باستخدام أعواد الثقاب. في هذه الحالة ، سيكون الورق هو الوقود ، وسيعمل الأكسجين الغازي الموجود في الهواء كعامل مؤكسد ، وسيتم الوصول إلى درجة حرارة الاشتعال بسبب تطابق الاحتراق.

هيكل التركيب الكيميائي للماء

مصدر الصورة: water-service.com.ua

يتكون الماء من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين. صيغته الكيميائية هي H2O. من المثير للاهتمام الآن أن نلاحظ أن مكوني الماء قابلين للاشتعال بشدة.

لماذا الهيدروجين مادة قابلة للاشتعال؟

تحتوي ذرات الهيدروجين على إلكترون واحد فقط وبالتالي ترتبط بسهولة بالعناصر الأخرى. كقاعدة عامة ، يحدث الهيدروجين بشكل طبيعي على شكل غاز ، تتكون جزيئاته من ذرتين. هذا الغاز شديد التفاعل ويتأكسد بسرعة في وجود عامل مؤكسد ، مما يجعله قابلاً للاشتعال.

مصدر الصورة: myshared.ru

عندما يحترق الهيدروجين ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة ، لذلك غالبًا ما يتم استخدامه في شكل سائل لإطلاق المركبات الفضائية إلى الفضاء.

يدعم الأكسجين الاحتراق

كما ذكرنا سابقًا ، هناك حاجة إلى عامل مؤكسد لأي احتراق. هناك العديد من المؤكسدات الكيميائية ، بما في ذلك الأكسجين والأوزون وبيروكسيد الهيدروجين والفلور وما إلى ذلك. الأكسجين هو المؤكسد الرئيسي الذي يوجد بكثرة في الغلاف الجوي للأرض. وهو بشكل عام العامل المؤكسد الرئيسي في معظم الحرائق. هذا هو السبب في الحاجة إلى إمداد مستمر بالأكسجين للحفاظ على استمرار الحريق.

الماء يطفئ الحريق

يمكن للماء أن يطفئ النار لعدد من الأسباب ، أحدها أنه سائل غير قابل للاحتراق ، على الرغم من أنه يتكون من عنصرين يمكن أن يخلق كل منهما جحيمًا ناريًا.

الماء هو عامل إطفاء الحرائق الأكثر شيوعًا. مصدر الصورة: pixabay.com

كما قلنا سابقًا ، الهيدروجين شديد الاشتعال ، كل ما نحتاجه هو عامل مؤكسد ودرجة حرارة اشتعال لبدء التفاعل. نظرًا لأن الأكسجين هو العامل المؤكسد الأكثر وفرة على الأرض ، فإنه يتحد بسرعة مع ذرات الهيدروجين ، ويطلق كميات كبيرة من الضوء والحرارة ، وبالتالي تكوين جزيئات الماء. هذه هي الطريقة التي يعمل بها:

يرجى ملاحظة أن خليط الهيدروجين مع حجم صغير من الأكسجين أو الهواء قابل للانفجار ويسمى بغاز أوكسي هيدروجين ، وهو يحترق بسرعة كبيرة مع صوت عالٍ ، والذي يُنظر إليه على أنه انفجار. أودى تحطم منطاد هيندنبورغ في عام 1937 في نيوجيرسي بحياة العشرات نتيجة اشتعال الهيدروجين الذي ملأ قذيفة المنطاد. إن قابلية الهيدروجين للاشتعال وانفجاره مع الأكسجين هو السبب الرئيسي لعدم حصولنا على الماء كيميائيًا في المختبرات.