Propiedades químicas del hidrógeno y el agua. Hidrógeno. Propiedades, recibo, solicitud. Referencia histórica. El peróxido de hidrógeno es un remedio versátil

• Designación - H (hidrógeno);
• Nombre latino - Hydrogenium;
• Período - yo;
• Grupo - 1 (Ia);
• Masa atómica - 1,00794;
• Número atómico - 1;
• Radio del átomo = 53 pm;
• Radio covalente = 32 pm;
• Distribución de electrones - 1s 1;
• punto de fusión = -259,14 ° C;
• punto de ebullición = -252,87 ° C;
• Electronegatividad (Pauling / Alpred y Rohov) = 2,02 / -;
• Estado de oxidación: +1; 0; -una;
• Densidad (n. At.) = 0,0000899 g / cm 3;
• Volumen molar = 14,1 cm 3 / mol.

Compuestos binarios de hidrógeno con oxígeno:

El hidrógeno ("dar a luz al agua") fue descubierto por el científico inglés G. Cavendish en 1766. Es el elemento más simple de la naturaleza: un átomo de hidrógeno tiene un núcleo y un electrón, razón por la cual el hidrógeno es probablemente el elemento más abundante en el Universo (constituye más de la mitad de la masa de la mayoría de las estrellas).

Sobre el hidrógeno podemos decir que "el carrete es pequeño, pero caro". A pesar de su "simplicidad", el hidrógeno da energía a todos los seres vivos de la Tierra: hay una reacción termonuclear continua en el Sol durante la cual se forma un átomo de helio a partir de cuatro átomos de hidrógeno, este proceso va acompañado de la liberación de una cantidad colosal de energía. (para obtener más detalles, consulte Fusión nuclear).

En la corteza terrestre, la fracción másica de hidrógeno es solo del 0,15%. Mientras tanto, la inmensa mayoría (95%) de todas las sustancias químicas conocidas en la Tierra contienen uno o más átomos de hidrógeno.

En compuestos con no metales (HCl, H 2 O, CH 4 ...), el hidrógeno cede su único electrón a elementos más electronegativos, exhibiendo un estado de oxidación de +1 (más a menudo), formando solo enlaces covalentes (ver Covalent vínculo).

En compuestos con metales (NaH, CaH 2 ...), el hidrógeno, por el contrario, lleva otro electrón a su único orbital s, tratando de completar su capa electrónica, exhibiendo un estado de oxidación de -1 (con menos frecuencia), formando más a menudo un enlace iónico (ver Enlace iónico), ya que la diferencia en la electronegatividad de un átomo de hidrógeno y un átomo de metal puede ser bastante grande.

H 2

En estado gaseoso, el hidrógeno se encuentra en forma de moléculas diatómicas, formando un enlace covalente no polar.

Las moléculas de hidrógeno poseen:

• gran movilidad;
• gran durabilidad;
• baja polarizabilidad;
• tamaño y peso reducidos.

Propiedades del gas hidrógeno:

• el gas más ligero de la naturaleza, incoloro e inodoro;
• poco soluble en agua y disolventes orgánicos;
• en pequeñas cantidades se disuelve en metales líquidos y sólidos (especialmente en platino y paladio);
• difícil de licuar (debido a su baja polarización);
• tiene la conductividad térmica más alta de todos los gases conocidos;
• cuando se calienta, reacciona con muchos no metales, mostrando las propiedades de un agente reductor;
• a temperatura ambiente reacciona con el flúor (se produce una explosión): H 2 + F 2 = 2HF;
• reacciona con metales para formar hidruros, mostrando propiedades oxidantes: H2 + Ca = CaH2;

En los compuestos, el hidrógeno manifiesta sus propiedades reductoras con mucha más fuerza que las oxidantes. El hidrógeno es el agente reductor más fuerte después del carbón, el aluminio y el calcio. Las propiedades reductoras del hidrógeno se utilizan ampliamente en la industria para la producción de metales y no metales (sustancias simples) a partir de óxidos y galuros.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Reacciones del hidrógeno con sustancias simples.

El hidrógeno adquiere un electrón, desempeñando un papel reductor, en reacciones:

• Con oxígeno(cuando se enciende o en presencia de un catalizador), en una proporción de 2: 1 (hidrógeno: oxígeno), se forma un gas oxihidrógeno explosivo: 2H 2 0 + O 2 = 2H 2 +1 O + 572 kJ
• Con gris(cuando se calienta a 150 ° C-300 ° C): H 2 0 + S ↔ H 2 +1 S
• Con cloro(cuando se enciende o irradia con rayos UV): H 2 0 + Cl 2 = 2H +1 Cl
• Con flúor: H 2 0 + F 2 = 2H +1 F
• Con nitrógeno(cuando se calienta en presencia de catalizadores o a alta presión): 3H 2 0 + N 2 ↔ 2NH 3 +1

El hidrógeno dona un electrón, desempeñando un papel oxidante, en reacciones con alcalino y tierra alcalina Los metales con formación de hidruros metálicos (compuestos iónicos salinos que contienen iones hidruro H) son sustancias cristalinas inestables de color blanco.

Ca + H 2 = CaH 2 -1 2Na + H 2 0 = 2NaH -1

Es inusual que el hidrógeno presente un estado de oxidación de -1. Al reaccionar con el agua, los hidruros se descomponen, reduciendo el agua a hidrógeno. La reacción del hidruro de calcio con agua es la siguiente:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 = 2H 2 0 + Ca (OH) 2

Reacciones de hidrógeno con sustancias complejas.

• a altas temperaturas, el hidrógeno reduce muchos óxidos metálicos: ZnO + H 2 = Zn + H 2 O
• El alcohol metílico se obtiene como resultado de la reacción de hidrógeno con monóxido de carbono (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• en las reacciones de hidrogenación, el hidrógeno reacciona con muchas sustancias orgánicas.

Aprenda más ecuaciones reacciones químicas el hidrógeno y sus compuestos se consideran en la página "El hidrógeno y sus compuestos: ecuaciones de reacciones químicas que involucran al hidrógeno".

Aplicación de hidrógeno

• en la energía nuclear, se utilizan isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio;
• v industria química el hidrógeno se utiliza para la síntesis de muchas sustancias orgánicas, amoniaco, cloruro de hidrógeno;
• en la industria alimentaria, el hidrógeno se utiliza en la producción de grasas sólidas mediante la hidrogenación de aceites vegetales;
• la alta temperatura de combustión del hidrógeno en oxígeno (2600 ° C) se utiliza para soldar y cortar metales;
• en la producción de algunos metales, el hidrógeno se usa como agente reductor (ver arriba);
• Dado que el hidrógeno es un gas ligero, se utiliza como relleno en aeronáutica. globos, globos, dirigibles;
• como combustible, el hidrógeno se usa en una mezcla con CO.

V Últimamente Los científicos prestan mucha atención a la búsqueda de fuentes alternativas de energía renovable. Una de las áreas prometedoras es la ingeniería energética del "hidrógeno", en la que se utiliza hidrógeno como combustible, cuyo producto de combustión es agua corriente.

Métodos para producir hidrógeno.

Métodos industriales para producir hidrógeno:

• conversión de metano (reducción catalítica de vapor de agua) con vapor de agua a alta temperatura (800 ° C) en un catalizador de níquel: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
• conversión de monóxido de carbono con vapor de agua (t = 500 ° C) sobre el catalizador Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
• descomposición térmica del metano: CH 4 = C + 2H 2;
• gasificación de combustibles sólidos (t = 1000 ° C): C + H 2 O = CO + H 2;
• electrólisis de agua (método muy caro en el que se obtiene hidrógeno muy puro): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Métodos de laboratorio para producir hidrógeno:

• la acción sobre metales (generalmente zinc) con ácido clorhídrico o sulfúrico diluido: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• interacción del vapor de agua con virutas de hierro calientes: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

El hidrógeno es el primer elemento en la tabla periódica de elementos químicos, tiene un número atómico de 1 y un relativo masa atomica 1.0079. ¿Cuáles son las propiedades físicas del hidrógeno?

Propiedades físicas del hidrógeno

Traducido del latín, hidrógeno significa "dar a luz al agua". Allá por 1766, el científico inglés G. Cavendish recogió "aire combustible" liberado por la acción de los ácidos sobre los metales y comenzó a estudiar sus propiedades. En 1787 A. Lavoisier definió este "aire combustible" como un nuevo elemento químico que forma parte del agua.

Arroz. 1. A. Lavoisier.

El hidrógeno tiene 2 isótopos estables, el protio y el deuterio, así como el tritio radiactivo, cuya cantidad en nuestro planeta es muy pequeña.

El hidrógeno es el elemento más abundante en el espacio. El sol y la mayoría de las estrellas tienen hidrógeno como elemento principal. Además, este gas forma parte del agua, el petróleo y el gas natural. Contenido general el hidrógeno en la Tierra es del 1%.

Arroz. 2. Fórmula de hidrógeno.

El átomo de esta sustancia incluye un núcleo y un electrón. Cuando un electrón se pierde del hidrógeno, forma un ion cargado positivamente, es decir, se manifiesta propiedades metálicas... Pero también un átomo de hidrógeno es capaz no solo de perder, sino también de unir un electrón. En esto es muy similar a los halógenos. Por lo tanto, el hidrógeno de la tabla periódica pertenece a los grupos I y VII. Las propiedades no metálicas del hidrógeno se expresan en mayor medida.

Una molécula de hidrógeno consta de dos átomos unidos por un enlace covalente.

En condiciones normales, el hidrógeno es un elemento gaseoso incoloro, inodoro e insípido. Es 14 veces más ligero que el aire y su punto de ebullición es de -252,8 grados Celsius.

Cuadro "Propiedades físicas del hidrógeno"

Además de sus propiedades físicas, el hidrógeno también posee una serie de propiedades químicas. Cuando se calienta o bajo la acción de catalizadores, el hidrógeno reacciona con metales y no metales, azufre, selenio, telurio y también puede reducir los óxidos de muchos metales.

Producción de hidrógeno

A partir de métodos industriales de producción de hidrógeno (excepto por electrólisis soluciones acuosas sales) se debe tener en cuenta lo siguiente:

• pasando vapor de agua a través del carbón caliente a una temperatura de 1000 grados:

• conversión de metano con vapor de agua a una temperatura de 900 grados:

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

Comenzando a considerar las propiedades químicas y físicas del hidrógeno, cabe señalar que en su estado habitual, este elemento químico se encuentra en forma gaseosa. El gas hidrógeno incoloro es inodoro e insípido. Por primera vez, este elemento químico recibió el nombre de hidrógeno después de que el científico A. Lavoisier realizó experimentos con agua, según cuyos resultados, la ciencia mundial descubrió que el agua es un líquido multicomponente, que incluye hidrógeno. Este evento ocurrió en 1787, pero mucho antes de esa fecha los científicos conocían al hidrógeno como "gas combustible".

Hidrógeno en la naturaleza

Según los científicos, el hidrógeno está contenido en la corteza terrestre y en el agua (aproximadamente el 11,2% del volumen total de agua). Este gas es parte de muchos minerales que la humanidad ha estado extrayendo de las entrañas de la tierra durante siglos. Las propiedades del hidrógeno son parcialmente características del aceite, los gases naturales y la arcilla, para organismos de animales y plantas. Pero en forma pura, es decir, no combinado con otros elementos químicos de la tabla periódica, este gas es extremadamente raro en la naturaleza. Este gas puede liberarse a la superficie de la tierra durante las erupciones volcánicas. El hidrógeno libre está presente en cantidades mínimas en la atmósfera.

Propiedades químicas del hidrógeno

Dado que las propiedades químicas del hidrógeno no son uniformes, este elemento químico pertenece tanto al grupo I del sistema de Mendeleev como al grupo VII del sistema. Al ser un representante del primer grupo, el hidrógeno es, de hecho, un metal alcalino, que tiene un estado de oxidación de +1 en la mayoría de los compuestos a los que pertenece. La misma valencia es característica del sodio y otros Metales alcalinos... Debido a estas propiedades químicas, el hidrógeno se considera un elemento similar a estos metales.

Si hablamos de hidruros metálicos, entonces el ion hidrógeno tiene una valencia negativa, su estado de oxidación es -1. Na + H- se construye de la misma manera que para el cloruro Na + Cl-. Este hecho es la razón para atribuir hidrógeno al grupo VII del sistema de Mendeleev. El hidrógeno, al estar en estado de molécula, siempre que permanezca en un ambiente ordinario, está inactivo y puede combinarse exclusivamente con los no metales, que son más activos para él. Estos metales incluyen flúor, en presencia de luz, el hidrógeno se combina con el cloro. Si el hidrógeno se calienta, se vuelve más activo, entrando en reacciones con muchos elementos del sistema periódico de Mendeleev.

El hidrógeno atómico exhibe propiedades químicas más activas que el hidrógeno molecular. Las moléculas de oxígeno forman agua: H2 + 1 / 2O2 = H2O. Cuando el hidrógeno interactúa con los halógenos, se forman haluros de hidrógeno H2 + Cl2 = 2HCl, y el hidrógeno entra en esta reacción en ausencia de luz y a temperaturas negativas suficientemente altas, hasta - 252 ° С. Propiedades químicas el hidrógeno permite que se utilice para la reducción de muchos metales, ya que, al reaccionar, el hidrógeno absorbe oxígeno de los óxidos metálicos, por ejemplo, CuO + H2 = Cu + H2O. El hidrógeno participa en la formación de amoníaco, interactuando con el nitrógeno en la reacción ЗН2 + N2 = 2NН3, pero con la condición de que se utilice un catalizador y aumenten la temperatura y la presión.

Se produce una reacción vigorosa cuando el hidrógeno interactúa con el azufre en la reacción H2 + S = H2S, cuyo resultado es el sulfuro de hidrógeno. La interacción del hidrógeno con el telurio y el selenio es ligeramente menos activa. Si no hay catalizador, entonces reacciona con carbono puro, hidrógeno, solo con la condición de que se creen altas temperaturas. 2H2 + C (amorfo) = CH4 (metano). En el proceso de actividad del hidrógeno con algunos álcalis y otros metales, se obtienen hidruros, por ejemplo, H2 + 2Li = 2LiH.

Propiedades físicas del hidrógeno

El hidrógeno es muy ligero químico... Al menos los científicos dicen que en este momento, no hay sustancia más ligera que el hidrógeno. Su masa es 14,4 veces más ligera que el aire, su densidad es de 0,0899 g / la 0 ° C. A temperaturas de -259,1 ° C, el hidrógeno es capaz de derretirse; esta es una temperatura muy crítica que no es típica de la transformación de la mayoría compuestos químicos de un estado a otro. Solo un elemento como el helio excede las propiedades físicas del hidrógeno a este respecto. La licuefacción del hidrógeno es difícil, ya que su temperatura crítica es (-240 ° C). El hidrógeno es el gas que genera más calor que conoce la humanidad. Todas las propiedades descritas anteriormente son las más significativas propiedades físicas hidrógeno, que los seres humanos utilizan para fines específicos. Además, estas propiedades son las más relevantes para la ciencia moderna.

DEFINICIÓN

Hidrógeno- el primer elemento Tabla periódica elementos químicos D.I. Mendeleev. Símbolo - N.

Masa atómica - 1 amu La molécula de hidrógeno es diatómica - Н 2.

Configuración electrónicaátomo de hidrógeno - 1s 1. El hidrógeno pertenece a la familia de los elementos s. En sus compuestos presenta estados de oxidación -1, 0, +1. El hidrógeno natural consta de dos isótopos estables: protio 1 H (99,98%) y deuterio 2 H (D) (0,015%), y el isótopo radiactivo de tritio 3 H (T) (trazas, vida media: 12,5 años). ..

Propiedades químicas del hidrógeno

En condiciones normales, el hidrógeno molecular presenta una concentración relativamente baja. reactividad, lo que se explica por la alta fuerza de los enlaces en la molécula. Cuando se calienta, interactúa con casi todas las sustancias simples formadas por elementos de los principales subgrupos (excepto los gases nobles, B, Si, P, Al). En reacciones químicas, puede actuar como agente reductor (más a menudo) y como agente oxidante (con menos frecuencia).

Exhibiciones de hidrógeno propiedades del agente reductor(Н 2 0 -2е → 2Н +) en las siguientes reacciones:

1. Reacciones de interacción con sustancias simples - no metales. El hidrógeno reacciona con halógenos Además, la reacción de interacción con flúor en condiciones normales, en la oscuridad, con una explosión, con cloro - bajo iluminación (o irradiación UV) por un mecanismo de cadena, con bromo y yodo solo cuando se calienta; oxígeno(una mezcla de oxígeno e hidrógeno en una relación de volumen de 2: 1 se denomina "gas oxihidrógeno"), gris, nitrógeno y carbón:

H2 + Hal2 = 2HHal;

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

H2 + S = H2S (t = 150 - 300C);

3H2 + N2 ↔ 2NH3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H2 + C ↔ CH4 (t, p, kat).

2. Reacciones de interacción con sustancias complejas... El hidrógeno reacciona con óxidos de metales de baja actividad, y es capaz de reducir solo los metales que se encuentran en la fila de actividad a la derecha del zinc:

CuO + H2 = Cu + H2O (t);

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

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

El hidrógeno reacciona con óxidos de no metales:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300ºC, p = 250 - 300 atm., Kat = ZnO, Cr 2 O 3).

El hidrógeno entra en reacciones de hidrogenación con compuestos orgánicos de la clase de cicloalcanos, alquenos, arenos, aldehídos y cetonas, etc. Todas estas reacciones se llevan a cabo bajo calentamiento, bajo presión, platino o níquel se utilizan como catalizadores:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3;

C _ {6} H _ {6} + 3H _ {2} ↔ C _ {6} H _ {12};

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH _ {3} CHO + H _ {2} ↔ CH _ {3} -CH _ {2} -OH;

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

Hidrógeno como agente oxidante(Н 2 + 2е → 2Н -) actúa en reacciones de interacción con alcalinos y metales alcalinotérreos... En este caso, se forman hidruros: compuestos iónicos cristalinos en los que el hidrógeno presenta un estado de oxidación de -1.

2Na + H2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Propiedades físicas del hidrógeno

El hidrógeno es un gas ligero, incoloro e inodoro, de densidad en condiciones normales. - 0.09 g / l, 14.5 veces más liviano que el aire, paca t = -252.8C, t pl = - 259.2C. El hidrógeno es poco soluble en agua y disolventes orgánicos, muy soluble en algunos metales: níquel, paladio, platino.

Según la cosmoquímica moderna, el hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo. La principal forma de existencia del hidrógeno en el espacio exterior son los átomos individuales. En términos de abundancia en la Tierra, el hidrógeno ocupa el noveno lugar entre todos los elementos. La principal cantidad de hidrógeno en la Tierra está en un estado ligado: en la composición de agua, petróleo, gas natural, carbón, etc. En forma de una sustancia simple, el hidrógeno es raro, en la composición de los gases volcánicos.

Producción de hidrógeno

Existen métodos industriales y de laboratorio para producir hidrógeno. Los métodos de laboratorio incluyen la interacción de metales con ácidos (1), así como la interacción de aluminio con soluciones acuosas de álcalis (2). Entre los métodos industriales para producir hidrógeno, un papel importante lo juega la electrólisis de soluciones acuosas de álcalis y sales (3) y la conversión de metano (4):

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 (1);

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

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

CH4 + H2O ↔ CO + H2 (4).

Ejemplos de resolución de problemas

EJEMPLO 1

EJEMPLO 2