هيدروجين. الخصائص الفيزيائية والكيميائية ، الاستلام. الكيمياء العضوية معادلة الأكسجين الهيدروجين

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. يبلغ الجزء المولي من ذرات الهيدروجين في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري للأرض (يُطلق على هذا معًا قشرة الأرض) 0.17. يوجد 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 لا يوجد عمليًا في الطبيعة. الديوتيريوم مستقر ، لكن القليل جدًا منه: ث D = 0.015٪ (بناءً على 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 قدرها + 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 أ). بما أن الذرات متماثلة ، 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 الخامس) ، 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 قمنا بتمييز شكل الجزيء عن طريق السطح 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 ظل 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 أ).

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 الفحم المعالج 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 بتيار كهربائي (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) متقلبة (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 ؛ H 2 O ؛ HF
SiH 4 ؛ PH 3 ؛ H 2 S ؛ حمض الهيدروكلوريك
AsH 3 ؛ H 2 سي ؛ HBr
H 2 تي ؛ مرحبا
باستثناء الماء ، كل هذه المركبات عبارة عن مواد غازية في درجة حرارة الغرفة ، ومن هنا جاءت تسميتها - "الهيدريد المتطاير".
توجد أيضًا بعض العناصر التي تشكل غير فلزات في هيدرات أكثر 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 ، يعتبر الهيدروجين جزءًا من الهيدروكسيدات وبعض الأملاح. سوف تتعرف على 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 ( ص, ر، Pt - محفز).

بكميات كبيرة ، يستخدم الهيدروجين للحصول على كحول الميثيل (ميثانول) 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 مع طاقة التأين لذرات العناصر الأخرى. وفقًا لهذه الخاصية ، ما هو العنصر الأقرب للهيدروجين؟
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 حرفيا ومتى لا؟
7. عمل الصيغ التركيبية من هيدرات البوتاسيوم والكالسيوم وكذلك الأمونيا وكبريتيد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين.
8. معرفة الحرارة المولية لانصهار وتبخير 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 في المختبر.
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. اصنع 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 ، أنشئ معادلات للتفاعلات التالية لتوضيح 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 هو الحال مع الهيدروجين ، فإن كلمة "أكسجين" هي اسم كل من عنصر كيميائي ومادة بسيطة. بالإضافة إلى مادة بسيطة " الأكسجين "(ديوكسجين) 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 السلسلة الطبيعية 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 قشرة الأرض ، 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 التقارب لإلكترون ذرة 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 ، ويظهر بعضها 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 مزدوجين. 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) ، لكن الفلزات القلوية النشطة ، مثل الصوديوم ، يتم تحويلها 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 هو 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 عمل الغوص ، وفي سفن الفضاء ، وما إلى ذلك) ، 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 هيكل زاوي ، الوسط بين الهيكلين ، معروض 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 تفريغ البرق الكهربائي:

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 ، يستخدم 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 أكسجين 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 التي تنتمي إليها نواتج 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 التي لها أسماء خاصة بها في جميع حالات التجمع الثلاث.

التركيب الإلكتروني لجزيء الماء (الشكل 10.4 أ) 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. لأن 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 (ترتيب من حيث الحجم أعلى من تلك الخاصة بالهيدروجين والأكسجين) إلى أن جزيئات الماء ، في كل من 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 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 واحد إلى ذرة الأكسجين لجزيء آخر ، بالإضافة إلى ذلك ، فإن نصف فارغة 1s-AO من ذرة الهيدروجين تقبل جزئيًا زوجًا من الإلكترونات من 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 ذات شحنة 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 مع 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 الحراريلم تؤثر بشدة 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 ؛
سيتوقف الحلزون المزدوج للحمض النووي 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 ، بينما 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 غير مهم مقارنة بالعدد الإجمالي لجزيئات الماء ، يمكن افتراض أن تركيز الماء أثناء التحلل الذاتي لا يتغير عمليًا ، و 2 = const مثل هذا التركيز المنخفض من الأيونات مشحونة عكسيا 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 الذاتي للأمونيا. تحديد تركيز أيونات الأمونيوم في الأمونيا السائلة النقية. أي من المواد تحتوي على أعلى موصلية كهربائية ، ماء أو أمونيا سائلة؟

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

الأكسجين- أحد أكثر العناصر شيوعًا على وجه الأرض. تشكل قرابة نصف وزن القشرة الخارجية للكوكب. عندما يقترن بالهيدروجين ، فإنه يشكل الماء الذي يغطي أكثر من ثلثي سطح الأرض.

لا يمكننا رؤية الأكسجين ولا تذوقه أو شمه. ومع ذلك ، فإنه يشكل خمس الهواء وهو أمر حيوي. لكي نعيش ، نحتاج ، مثل الحيوانات والنباتات ، إلى التنفس.

الأكسجين مشارك لا غنى عنه تفاعلات كيميائية، يدخل داخل أي خلية مجهرية للكائن الحي ، ونتيجة لذلك يتم تكسير العناصر الغذائية وإطلاق الطاقة اللازمة للحياة. هذا هو السبب في أن الأكسجين ضروري جدًا لكل كائن حي (باستثناء أنواع قليلة من الميكروبات).

عند الاحتراق ، تتحد المواد مع الأكسجين ، وتطلق الطاقة على شكل حرارة وضوء.

هيدروجين

العنصر الأكثر شيوعًا في الكون هو هيدروجين... يمثل الجزء الأكبر من معظم النجوم. على الأرض ، يرتبط معظم الهيدروجين (الرمز الكيميائي H) بالأكسجين (O) لتكوين الماء (H20). الهيدروجين هو أبسط وأخف عنصر كيميائي ، لأن كل ذرة تتكون من بروتون واحد وإلكترون واحد.

في بداية القرن العشرين ، كانت المناطيد والطائرات الكبيرة مملوءة بالهيدروجين. ومع ذلك ، فإن الهيدروجين شديد الاشتعال. بعد العديد من الكوارث التي سببتها الحرائق ، لم يعد يستخدم الهيدروجين في المناطيد. يستخدم اليوم غاز خفيف آخر في الطيران - الهليوم غير القابل للاحتراق.

يتحد الهيدروجين مع الكربون لتكوين مواد تسمى الهيدروكربونات. وتشمل هذه المنتجات المشتقة من الغاز الطبيعي والنفط الخام ، مثل غازات البروبان والبيوتان أو البنزين السائل. يتحد الهيدروجين أيضًا مع الكربون والأكسجين لتكوين الكربوهيدرات. النشا في البطاطس والأرز والسكر في البنجر من الكربوهيدرات.

تتكون الشمس والنجوم الأخرى في الغالب من الهيدروجين. في مركز النجم ، تتسبب درجات الحرارة والضغوط الهائلة في اندماج ذرات الهيدروجين مع بعضها البعض وتحويلها إلى غاز آخر - الهيليوم. في الوقت نفسه ، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة في شكل حرارة وضوء.

تعتمد الطرق الصناعية للحصول على المواد البسيطة على الشكل الذي يوجد به العنصر المقابل في الطبيعة ، أي ما يمكن أن يكون المواد الخام لإنتاجه. لذلك ، يتم الحصول على الأكسجين المتاح في حالة حرة جسديا- خروج من الهواء السائل. تقريبا كل الهيدروجين في شكل مركبات ، لذلك يستخدمونها للحصول عليه الطرق الكيميائية... على وجه الخصوص ، يمكن استخدام تفاعلات التحلل. إحدى طرق إنتاج الهيدروجين هي تفاعل تحلل الماء بواسطة التيار الكهربائي.

الطريقة الصناعية الرئيسية لإنتاج الهيدروجين هي تفاعل الميثان مع الماء ، وهو جزء من الغاز الطبيعي. يتم إجراؤه عند درجة حرارة عالية (من السهل التأكد من عدم حدوث تفاعل عند تمرير الميثان حتى من خلال الماء المغلي):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H2-165 كيلوجول

في المختبر ، للحصول على مواد بسيطة ، لا يستخدمون بالضرورة المواد الخام الطبيعية ، ولكن يختارون تلك المواد الأولية التي يسهل عزل المادة المطلوبة منها. على سبيل المثال ، في المختبر ، لا يتم الحصول على الأكسجين من الهواء. الأمر نفسه ينطبق على إنتاج الهيدروجين. من الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين ، والتي تستخدم أحيانًا في الصناعة ، تحلل الماء بواسطة التيار الكهربائي.

عادة في المختبر ، ينتج الهيدروجين عن طريق تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك.

في الصناعة

1.التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للأملاح:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.تمرير بخار الماء فوق الكوك الساخنعند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.غاز طبيعي.

تحويل البخار: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 ° C) أكسدة تحفيزية بالأكسجين: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. تكسير وإصلاح الهيدروكربونات في عملية تكرير النفط.

في المختبر

1.تأثير الأحماض المخففة على المعادن.لإجراء مثل هذا التفاعل ، غالبًا ما يستخدم الزنك وحمض الهيدروكلوريك:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.تفاعل الكالسيوم مع الماء:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.التحلل المائي للهيدرات:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.تأثير القلويات على الزنك أو الألومنيوم:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.عن طريق التحليل الكهربائي.أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للقلويات أو الأحماض ، يتطور الهيدروجين عند الكاثود ، على سبيل المثال:

2H 3 O + 2e - → H 2 + 2H 2 O

مفاعل حيوي لإنتاج الهيدروجين

الخصائص الفيزيائية

يمكن أن يوجد الهيدروجين الغازي في شكلين (تعديلات) - في شكل أورثو - وشبه هيدروجين.

في جزيء من orthohydrogen (MP -259.10 ° C ، bp b. -252.89 ° C) - معاكس لبعضهما البعض (antiparallel).

يمكن فصل الأشكال المتآصلة للهيدروجين عن طريق الامتزاز على الكربون النشط عند درجة حرارة النيتروجين السائل. في درجات حرارة منخفضة للغاية ، يتحول التوازن بين الهيدروجين التقويمي والباراهيدروجين بالكامل تقريبًا نحو الأخير. عند 80 كلفن ، تكون نسبة النماذج حوالي 1: 1. يتحول الباراهيدروجين الماص عند التسخين إلى هيدروجين orthohydrogen حتى يتشكل خليط عند درجة حرارة الغرفة (زوج ortho: 75:25). بدون محفز ، يكون التحول بطيئًا ، مما يجعل من الممكن دراسة خصائص الأشكال الفردية المتآصلة. جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - Н₂. في الظروف العادية ، يكون غازًا عديم اللون والرائحة والمذاق. الهيدروجين هو أخف الغازات ، وكثافته أقل بكثير من كثافة الهواء. من الواضح أنه كلما كانت كتلة الجزيئات أصغر ، زادت سرعتها عند نفس درجة الحرارة. كأخف جزيئات الهيدروجين ، تتحرك أسرع من جزيئات أي غاز آخر ، وبالتالي يمكنها نقل الحرارة بشكل أسرع من جسم إلى آخر. ويترتب على ذلك أن الهيدروجين لديه أعلى موصلية حرارية بين المواد الغازية. الموصلية الحرارية لها حوالي سبع مرات أعلى من الموصلية الحرارية للهواء.

الخواص الكيميائية

جزيئات الهيدروجين H₂ قوية جدًا ، ولكي يتفاعل الهيدروجين ، يجب إنفاق الكثير من الطاقة: H 2 = 2H - 432 kJ لذلك ، في درجات الحرارة العادية ، يتفاعل الهيدروجين فقط مع المعادن النشطة جدًا ، على سبيل المثال ، مع الكالسيوم ، تشكيل هيدريد الكالسيوم: Ca + H 2 = CaH 2 ومع الفلور غير المعدني الوحيد ، مكونًا فلوريد الهيدروجين: F 2 + H 2 = 2HF مع معظم المعادن وغير المعدنية ، يتفاعل الهيدروجين عند درجات حرارة مرتفعة أو تحت تأثير آخر ، على سبيل المثال ، تحت الإضاءة. يمكن أن "يزيل" الأكسجين من بعض الأكاسيد ، على سبيل المثال: CuO + Н 2 = Cu + 2 0 وتعكس المعادلة المكتوبة تفاعل الاختزال. تسمى تفاعلات الاختزال عمليات ينتج عنها سحب الأكسجين من المركب ؛ تسمى المواد التي تزيل الأكسجين بالعوامل المختزلة (بينما تتأكسد هي نفسها). علاوة على ذلك ، سيتم إعطاء تعريف آخر لمفهومي "الأكسدة" و "الاختزال". وهذا التعريف ، تاريخيًا الأول ، يحتفظ بأهميته في الوقت الحاضر ، خاصة في الكيمياء العضوية. تفاعل الاختزال هو عكس تفاعل الأكسدة. يستمر كلا التفاعلين في نفس الوقت كعملية واحدة: أثناء أكسدة (اختزال) مادة واحدة ، يجب بالضرورة أن يحدث اختزال (أكسدة) المادة الأخرى في وقت واحد.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

أشكال مع الهالوجينات هاليدات الهيدروجين:

F 2 + H 2 → 2 HF ، يستمر التفاعل بانفجار في الظلام وعند أي درجة حرارة ، Cl 2 + H 2 → 2 HCl ، يستمر التفاعل بانفجار ، فقط في الضوء.

يتفاعل مع السخام تحت التسخين القوي:

C + 2H 2 → CH 4

التفاعل مع المعادن الأرضية القلوية والقلوية

يتكون الهيدروجين مع المعادن النشطة الهيدريدات:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

الهيدريد- مالح ، المواد الصلبة، يتحلل بسهولة:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2

التفاعل مع أكاسيد المعادن (عادة عناصر د)

يتم تقليل الأكاسيد إلى معادن:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

هدرجة المركبات العضوية

عندما يعمل الهيدروجين على الهيدروكربونات غير المشبعة في وجود محفز نيكل ودرجة حرارة مرتفعة ، يحدث تفاعل الهدرجة:

CH 2 = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

يقلل الهيدروجين الألدهيدات إلى كحول:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

جيوكيمياء الهيدروجين

الهيدروجين - أساسي مواد البناءالكون. إنه العنصر الأكثر شيوعًا ، وتتشكل منه جميع العناصر نتيجة التفاعلات النووية الحرارية والنووية.

يعتبر الهيدروجين الحر H 2 نادرًا نسبيًا في الغازات الأرضية ، ولكنه يلعب دورًا مهمًا للغاية في العمليات الجيوكيميائية في شكل ماء.

يمكن أن يكون الهيدروجين جزءًا من المعادن في شكل أيون أمونيوم وأيون هيدروكسيل وماء بلوري.

في الغلاف الجوي ، يتم إنتاج الهيدروجين باستمرار عن طريق تحلل الماء بواسطة الإشعاع الشمسي. يهاجر إلى الغلاف الجوي العلوي ويهرب إلى الفضاء.

طلب

طاقة الهيدروجين

يستخدم الهيدروجين الذري في لحام الهيدروجين الذري.

في صناعة المواد الغذائية ، يتم تسجيل الهيدروجين باسم المضافات الغذائية E949مثل تعبئة الغاز.

ميزات العلاج

عند مزجه مع الهواء ، يشكل الهيدروجين خليطًا متفجرًا - ما يسمى بالغاز المتفجر. يكون هذا الغاز أكثر قابلية للانفجار عندما تكون النسبة الحجمية للهيدروجين والأكسجين 2: 1 ، أو الهيدروجين والهواء 2: 5 تقريبًا ، لأن الهواء يحتوي على حوالي 21٪ أكسجين. الهيدروجين أيضا خطر الحريق. يمكن أن يسبب الهيدروجين السائل قضمة صقيع شديدة إذا لامست الجلد.

تنشأ التركيزات المتفجرة للهيدروجين مع الأكسجين من 4٪ إلى 96٪ من حيث الحجم. عند مزجه مع الهواء من 4٪ إلى 75 (74)٪ بالحجم.

استخدام الهيدروجين

في الصناعة الكيميائية ، يستخدم الهيدروجين في إنتاج الأمونيا والصابون والبلاستيك. في صناعة المواد الغذائية ، باستخدام الهيدروجين من السائل الزيوت النباتيةصنع المارجرين. الهيدروجين خفيف جدا ويرتفع دائما في الهواء. بمجرد امتلاء المناطيد والبالونات بالهيدروجين. لكن في الثلاثينيات. القرن العشرين كانت هناك العديد من الكوارث المروعة حيث انفجرت المناطيد واحترقت. في الوقت الحاضر ، تمتلئ المناطيد بغاز الهليوم. يستخدم الهيدروجين أيضًا كوقود للصواريخ. قد يستخدم الهيدروجين في يوم من الأيام على نطاق واسع كوقود للسيارات والشاحنات. لا تلوث محركات الهيدروجين البيئة ولا ينبعث منها سوى بخار الماء (على الرغم من أن إنتاج الهيدروجين نفسه يؤدي إلى بعض التلوث البيئي). تتكون شمسنا في الغالب من الهيدروجين. الحرارة والضوء الشمسيان هما نتيجة إطلاق الطاقة النووية من اندماج نوى الهيدروجين.

استخدام الهيدروجين كوقود (الكفاءة الاقتصادية)

أهم ما يميز المواد المستخدمة كوقود هو قيمتها الحرارية. من الدورة كيمياء عامةمن المعروف أن تفاعل تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين يحدث مع إطلاق الحرارة. إذا أخذنا 1 مول من H 2 (2 جم) و 0.5 مول من O 2 (16 جم) في ظل ظروف قياسية وبدأنا التفاعل ، فوفقًا للمعادلة

H 2 + 0.5 O 2 = H 2 O

بعد اكتمال التفاعل ، يتم تكوين 1 جزيء جرامي من H 2 O (18 جم) بإطلاق طاقة 285.8 كيلو جول / مول (للمقارنة: حرارة احتراق الأسيتيلين 1300 كيلو جول / مول ، البروبان - 2200 كيلو جول / مول ). 1 متر مكعب من الهيدروجين يزن 89.8 جرام (44.9 مول). لذلك ، للحصول على 1 متر مكعب من الهيدروجين ، سيتم إنفاق 12832.4 كيلو جول من الطاقة. مع الأخذ في الاعتبار أن 1 كيلو واط ساعي = 3600 كيلوجول ، نحصل على 3.56 كيلو واط ساعة من الكهرباء. بمعرفة تعريفة 1 كيلو وات ساعة من الكهرباء وتكلفة 1 متر مكعب من الغاز ، يمكن استنتاج أنه من المستحسن التحول إلى وقود الهيدروجين.

على سبيل المثال ، نموذج تجريبي هوندا FCX من الجيل الثالث بخزان هيدروجين سعة 156 لترًا (يحتوي على 3.12 كجم من الهيدروجين تحت ضغط 25 ميجا باسكال) يسافر 355 كم. وفقًا لذلك ، من 3.12 كجم من H2 ، يتم الحصول على 123.8 كيلو واط في الساعة. استهلاك الطاقة لكل 100 كيلومتر سيكون 36.97 كيلوواط ساعة. من السهل حساب التأثير الاقتصادي السلبي لتحويل السيارات إلى وقود الهيدروجين بمعرفة تكلفة الكهرباء وتكلفة البنزين أو البنزين واستهلاكهما للسيارة لكل 100 كيلومتر. لنفترض (روسيا 2008) أن 10 سنتات لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء تؤدي إلى حقيقة أن 1 متر مكعب من الهيدروجين يؤدي إلى سعر 35.6 سنتًا ، ومع مراعاة كفاءة تحلل المياه من 40 إلى 45 سنتًا ، نفس المقدار من كيلوواط ساعة من تكاليف حرق البنزين 12832.4kJ / 42000kJ / 0.7kg / l * 80 سنتًا / لتر = 34 سنتًا بأسعار التجزئة ، بينما بالنسبة للهيدروجين قمنا بحساب الخيار المثالي ، باستثناء النقل ، واستهلاك المعدات ، وما إلى ذلك بالنسبة للميثان بطاقة احتراق تبلغ حوالي 39 ميغا جول لكل متر مكعب ستكون النتيجة أقل بمرتين إلى أربع مرات بسبب اختلاف السعر (1 متر مكعب لأوكرانيا 179 دولارًا ولأوروبا 350 دولارًا). أي أن الكمية المكافئة من الميثان ستكلف 10-20 سنتًا.

ومع ذلك ، يجب ألا ننسى أنه عند حرق الهيدروجين ، نحصل على ماء نقي ، يستخرج منه. وهذا هو ، لدينا متجدد مخزنالطاقة دون الإضرار بالبيئة ، على عكس الغاز أو البنزين ، وهما المصدران الأساسيان للطاقة.

Php on line 377 تحذير: يتطلب (http: //www..php): فشل في فتح الدفق: لا يمكن العثور على غلاف مناسب في /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php على السطر 377 Fatal خطأ: يتطلب (): فشل الفتح المطلوب "http: //www..php" (include_path = ".. php على السطر 377

في منطقتنا الحياة اليوميةهناك أشياء شائعة جدًا يعرفها الجميع تقريبًا. على سبيل المثال ، يعلم الجميع أن الماء سائل ، ومتوفر بسهولة ولا يحترق ، وبالتالي 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 عملية كيميائية تتحد فيها الجزيئات والذرات لتطلق طاقة على شكل حرارة وضوء. لحرق شيء ما ، تحتاج إلى شيئين - الوقود كمصدر للاحتراق (على سبيل المثال ، ورقة ، قطعة من الخشب ، إلخ) وعامل مؤكسد (الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي للأرض هو العامل 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 وقودًا ، 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 عملية 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. تسببت كارثة المنطاد هيندنبورغ في عام 1937 في نيوجيرسي في مقتل العشرات نتيجة احتراق الهيدروجين الذي ملأ قذيفة المنطاد. إن قابلية الهيدروجين للاشتعال وانفجاره مع الأكسجين هو السبب الرئيسي لعدم حصولنا على الماء كيميائيًا في المختبرات.

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 الفحم المعالج 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 بتيار كهربائي (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 ( ص, 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 مع طاقة التأين لذرات العناصر الأخرى. وفقًا لهذه الخاصية ، ما هو العنصر الأقرب للهيدروجين؟
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 حرفيا ومتى لا؟
7. عمل الصيغ التركيبية من هيدرات البوتاسيوم والكالسيوم وكذلك الأمونيا وكبريتيد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين.
8. معرفة الحرارة المولية لانصهار وتبخير 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 في المختبر.
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. اصنع 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 السلسلة الطبيعية 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 قشرة الأرض ، 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 هو 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 ().

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. لأن 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 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 واحد إلى ذرة الأكسجين لجزيء آخر ، بالإضافة إلى ذلك ، فإن نصف فارغة 1s-AO من ذرة الهيدروجين تقبل جزئيًا زوجًا من الإلكترونات من 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 مع 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 روابط الهيدروجين ، ولا يزال 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 ؛
سيتوقف الحلزون المزدوج للحمض النووي 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 غير مهم مقارنة بالعدد الإجمالي لجزيئات الماء ، 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.