Ecuaciones de reacción de hidrógeno. Propiedades químicas del hidrógeno: características y aplicaciones. Producción y uso de hidrógeno.
Esquema generalizador "HIDRÓGENO"
I... El hidrógeno es un elemento químicoa) Posición en el PSKhE
- número de serie №1
- periodo 1
- grupo I (subgrupo principal "A")
- Masa relativa Ar (H) = 1
- Nombre latino Hydrogenium (engendrador de agua)
b) La abundancia de hidrógeno en la naturaleza
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El hidrógeno es un elemento químico. |
En la corteza terrestre(litosfera e hidrosfera) - 1% en masa (Décimo lugar entre todos los elementos) |
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ATMÓSFERA - 0,0001% por número de átomos |
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El elemento más abundante del universo. – 92% de todos los átomos (el componente principal de las estrellas y el gas interestelar) |
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Hidrógeno - químico elemento |
En conexiones |
H 2 O - agua(11% en masa) |
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CH 4 - gas metano(25% en masa) |
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Materia orgánica(aceite, gases naturales combustibles y otros) En organismos de animales y plantas.(es decir, como parte de proteínas, ácidos nucleicos, grasas, carbohidratos y otros) En el cuerpo humano contiene una media de unos 7 kilogramos de hidrógeno. |
c) La valencia del hidrógeno en compuestos.
II... El hidrógeno es una sustancia simple (H 2)
Recepción
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1 laboratorio (aparato Kipp) A) Interacción de metales con ácidos: Zn+ 2HCl = ZnCl 2 + H 2 sal B) Interacción de metales activos con agua: 2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 base |
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2. Industria · Electrólisis de agua Email Actual 2H 2 O = 2H 2 + O 2 · Gas natural t, Ni CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 |
Encontrar hidrógeno en la naturaleza.
El hidrógeno está muy extendido en la naturaleza, su contenido en la corteza terrestre (litosfera e hidrosfera) es del 1% en masa y del 16% en número de átomos. El hidrógeno es parte de la sustancia más común en la Tierra: el agua (11,19% del hidrógeno en masa), en la composición de los compuestos que forman el carbón, el petróleo, los gases naturales, las arcillas, así como los organismos de los animales y las plantas (es decir, , en la composición de proteínas, ácidos nucleicos, grasas, carbohidratos y otros). En estado libre, el hidrógeno es extremadamente raro; en pequeñas cantidades está contenido en gases volcánicos y otros gases naturales. En la atmósfera hay trazas de hidrógeno libre (0,0001% en número de átomos). En el espacio cercano a la Tierra, el hidrógeno en forma de flujo de protones forma el cinturón de radiación interno ("protón") de la Tierra. En el espacio, el hidrógeno es el elemento más abundante. En forma de plasma, constituye aproximadamente la mitad de la masa del Sol y la mayoría de las estrellas, la mayor parte de los gases del medio interestelar y las nebulosas gaseosas. El hidrógeno está presente en la atmósfera de varios planetas y en los cometas en forma de H 2 libre, metano CH 4, amoníaco NH 3, agua H 2 O y radicales. En forma de flujo de protones, el hidrógeno es parte de la radiación corpuscular del Sol y los rayos cósmicos.
Hay tres isótopos de hidrógeno:
a) hidrógeno ligero - protio,
b) hidrógeno pesado - deuterio (D),
c) hidrógeno superpesado - tritio (T).
El tritio es un isótopo inestable (radiactivo), por lo que prácticamente no se encuentra en la naturaleza. El deuterio es estable, pero muy poco: 0,015% (de la masa de todo el hidrógeno terrestre).
Valencia de hidrógeno en compuestos
En compuestos, el hidrógeno exhibe valencia. I.
Propiedades físicas del hidrógeno
Una sustancia simple hidrógeno (Н 2) es un gas, más liviano que el aire, incoloro, inodoro, insípido, bale = - 253 0 С, el hidrógeno es insoluble en agua, combustible. El hidrógeno se puede recolectar desplazando el aire de un tubo de ensayo o agua. En este caso, el tubo debe colocarse boca abajo.
Producción de hidrógeno
En el laboratorio, el hidrógeno se obtiene como resultado de la reacción.
Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.
Se pueden usar hierro, aluminio y algunos otros metales en lugar de zinc, y se pueden usar algunos otros ácidos diluidos en lugar de ácido sulfúrico. El hidrógeno resultante se recoge en un tubo de ensayo mediante el desplazamiento de agua (véase la figura 10.2 b) o simplemente en un matraz invertido (figura 10.2 a).
En la industria, el hidrógeno se obtiene en grandes cantidades a partir del gas natural (principalmente metano) por su interacción con el vapor de agua a 800 ° C en presencia de un catalizador de níquel:
CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (t, Ni)
o el carbón se trata a alta temperatura con vapor de agua:
2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. (t)
El hidrógeno puro se obtiene del agua descomponiéndola. descarga eléctrica(sometido a electrólisis):
2H 2 O = 2H 2 + O 2 (electrólisis).
Líquido
Hidrógeno(lat. Hidrogenio; denotado por el símbolo H) - el primer elemento sistema periódico elementos. Ampliamente distribuida en la naturaleza. El catión (y núcleo) del isótopo de hidrógeno más abundante, 1 H, es el protón. Las propiedades del núcleo 1 H permiten utilizar ampliamente la espectroscopia de RMN en el análisis de sustancias orgánicas.
Tres isótopos de hidrógeno tienen sus propios nombres: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D) y 3 H - tritio (radiactivo) (T).
Sustancia simple hidrógeno - H 2 - gas incoloro ligero. Es inflamable y explosivo cuando se mezcla con aire u oxígeno. No tóxico. Disolvamos en etanol y varios metales: hierro, níquel, paladio, platino.
Historia
La liberación de gas combustible durante la interacción de ácidos y metales se observó en el siglo XVI y Siglos XVII en los albores de la formación de la química como ciencia. Mikhail Vasilyevich Lomonosov también señaló directamente su separación, pero ya definitivamente se dio cuenta de que no era flogisto. El físico y químico inglés Henry Cavendish investigó este gas en 1766 y lo llamó "aire combustible". Cuando se quemó, el "aire combustible" produjo agua, pero la adherencia de Cavendish a la teoría del flogisto le impidió sacar las conclusiones correctas. El químico francés Antoine Lavoisier, junto con el ingeniero J. Meunier, utilizando medidores de gas especiales, en 1783 sintetizaron agua y luego la analizaron, descomponiendo el vapor de agua con hierro caliente. Así, estableció que el "aire combustible" es parte del agua y se puede obtener de ella.
origen del nombre
Lavoisier le dio al hidrógeno el nombre de hidrogène, "dar a luz al agua". El nombre ruso "hidrógeno" fue propuesto por el químico M.F.
Predominio
El hidrógeno es el elemento más abundante del universo. Representa aproximadamente el 92% de todos los átomos (el 8% son átomos de helio, la proporción de todos los demás elementos tomados en conjunto es inferior al 0,1%). Por tanto, el hidrógeno es el componente principal de las estrellas y el gas interestelar. En condiciones de temperaturas estelares (por ejemplo, la temperatura de la superficie del Sol es ~ 6000 ° C), el hidrógeno existe en forma de plasma; en el espacio interestelar, este elemento existe en forma de moléculas individuales, átomos e iones y puede formar nubes moleculares que difieren significativamente en tamaño, densidad y temperatura.
La corteza terrestre y los organismos vivos.
La fracción de masa de hidrógeno en la corteza terrestre es del 1%; este es el décimo elemento más abundante. Sin embargo, su papel en la naturaleza no está determinado por la masa, sino por el número de átomos, cuya proporción, entre otros elementos, es del 17% (segundo lugar después del oxígeno, cuya proporción de átomos es ~ 52%). Por tanto, la importancia del hidrógeno en los procesos químicos que tienen lugar en la Tierra es casi tan grande como el oxígeno. A diferencia del oxígeno, que existe en la Tierra tanto en estado libre como ligado, prácticamente todo el hidrógeno de la Tierra está en forma de compuestos; La atmósfera contiene solo una cantidad muy pequeña de hidrógeno en forma de una sustancia simple (0,00005% en volumen).
El hidrógeno forma parte de casi todas las sustancias orgánicas y está presente en todas las células vivas. En las células vivas, el hidrógeno representa casi el 50% del número de átomos.
Recepción
Los métodos industriales de obtención de sustancias simples dependen de la forma en que se encuentre en la naturaleza el elemento correspondiente, es decir, cuáles pueden ser las materias primas para su producción. Entonces, el oxígeno, que está disponible en un estado libre, se obtiene mediante un método físico, por separación del aire líquido. Casi todo el hidrógeno está en forma de compuestos, por lo que se utilizan métodos químicos para obtenerlo. En particular, se pueden utilizar reacciones de descomposición. Uno de los métodos para producir hidrógeno es la reacción de descomposición del agua por corriente eléctrica.
El principal método industrial para producir hidrógeno es la reacción del metano con agua, que forma parte del gas natural. Se lleva a cabo a alta temperatura (es fácil asegurarse de que no se produzca ninguna reacción cuando el metano pasa incluso a través del agua hirviendo):
CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ
En el laboratorio, para obtener sustancias simples, no necesariamente utilizan materias primas naturales, sino que seleccionan aquellas materias primas de las que es más fácil aislar la sustancia requerida. Por ejemplo, en un laboratorio, el oxígeno no se obtiene del aire. Lo mismo se aplica a la producción de hidrógeno. Uno de los métodos de laboratorio para producir hidrógeno, que a veces se utiliza en la industria, es la descomposición del agua con una corriente eléctrica.
Por lo general, en el laboratorio, el hidrógeno se produce mediante la interacción del zinc con el ácido clorhídrico.
En la industria
1.Electrólisis de soluciones acuosas de sales:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2
2.- Paso de vapor de agua sobre coque al rojo vivo a una temperatura de aproximadamente 1000 ° C:
H 2 O + C? H 2 + CO
3. De gas natural.
Conversión de vapor:
CH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 (1000 ° C)
Oxidación catalítica con oxígeno:
2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2
4. Craqueo y reformado de hidrocarburos en el proceso de refinado de petróleo.
En el laboratorio
1.La acción de los ácidos diluidos sobre los metales. Para llevar a cabo tal reacción, el zinc y el ácido clorhídrico diluido se usan con mayor frecuencia:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2.Interacción del calcio con el agua:
Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2
3.Hidrólisis de hidruros:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
4.La acción de los álcalis sobre el zinc o el aluminio:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
5.Por electrólisis. Durante la electrólisis de soluciones acuosas de álcalis o ácidos, se desprende hidrógeno en el cátodo, por ejemplo:
2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O
Propiedades físicas
El hidrógeno puede existir en dos formas (modificaciones): en forma de orto y parahidrógeno. Molécula de ortohidrógeno o-H 2 (m.p. -259.10 ° C, bp. -252.56 ° C) los espines nucleares se dirigen de la misma manera (en paralelo), pags-H 2 (p.f. -259,32 ° C, pb. -252,89 ° C) - opuestos entre sí (antiparalelo). Mezcla de equilibrio o-H 2 y pags-H 2 a una temperatura dada se llama equilibrio de hidrógeno mi-H 2.
Las modificaciones de hidrógeno se pueden separar por adsorción sobre carbón activo a la temperatura del nitrógeno líquido. A temperaturas muy bajas, el equilibrio entre ortohidrógeno y parahidrógeno se desplaza casi por completo hacia este último. A 80 K, la proporción de formas es aproximadamente 1: 1. El parahidrógeno desorbido al calentar se convierte en ortohidrógeno hasta que se forma un equilibrio de mezcla a temperatura ambiente (ortopares: 75:25). Sin un catalizador, la transformación se produce lentamente (en condiciones del medio interestelar, con tiempos característicos hasta cosmológicos), lo que permite estudiar las propiedades de las modificaciones individuales.
El hidrógeno es el gas más ligero; es 14,5 veces más ligero que el aire. Obviamente, cuanto menor es la masa de las moléculas, mayor es su velocidad a la misma temperatura. Al ser las más ligeras, las moléculas de hidrógeno se mueven más rápido que las moléculas de cualquier otro gas y, por lo tanto, pueden transferir calor más rápidamente de un cuerpo a otro. De ello se deduce que el hidrógeno tiene la conductividad térmica más alta entre las sustancias gaseosas. Su conductividad térmica es aproximadamente siete veces mayor que la conductividad térmica del aire.
La molécula de hidrógeno es diatómica - Н 2. En condiciones normales, es un gas incoloro, inodoro e insípido. Densidad 0,08987 g / l (n.u.), punto de ebullición −252,76 ° C, calor específico de combustión 120,9 × 10 6 J / kg, ligeramente soluble en agua - 18,8 ml / l. El hidrógeno es fácilmente soluble en muchos metales (Ni, Pt, Pd, etc.), especialmente en paladio (850 volúmenes por 1 volumen de Pd). La solubilidad del hidrógeno en los metales está asociada con su capacidad para difundirse a través de ellos; la difusión a través de una aleación carbonosa (por ejemplo, acero) a veces va acompañada de la destrucción de la aleación debido a la interacción del hidrógeno con el carbono (la denominada descarbonización). Prácticamente insoluble en plata.
Hidrógeno liquido existe en un rango de temperatura muy estrecho de -252,76 a -259,2 ° C. Es un líquido incoloro, muy ligero (densidad a -253 ° C 0,0708 g / cm 3) y fluido (viscosidad a -253 ° C 13,8 cpoise). Los parámetros críticos del hidrógeno son muy bajos: la temperatura es de -240,2 ° C y la presión de 12,8 atm. Esto explica las dificultades para licuar el hidrógeno. En estado líquido, el hidrógeno de equilibrio consiste en 99,79% de para-H 2, 0,21% de orto-H 2.
Hidrógeno sólido, punto de fusión −259,2 ° C, densidad 0,0807 g / cm 3 (a −262 ° C) - masa similar a la nieve, cristales de sistema hexagonal, grupo espacial P6 / mmc, parámetros de celda a=3,75 C= 6,12. A alta presión, el hidrógeno se transforma en un estado metálico.
Isótopos
El hidrógeno se encuentra en la forma de tres isótopos que tienen nombres individuales: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D), 3 H - tritio (radiactivo) (T).
El protio y el deuterio son isótopos estables con números de masa 1 y 2. Su contenido en la naturaleza es, respectivamente, 99,9885 ± 0,0070% y 0,0115 ± 0,0070%. Esta relación puede variar ligeramente según la fuente y el método de producción de hidrógeno.
El isótopo de hidrógeno 3 H (tritio) es inestable. Su vida media es de 12,32 años. El tritio se encuentra en la naturaleza en cantidades muy pequeñas.
La literatura también contiene datos sobre isótopos de hidrógeno con números de masa 4–7 y vidas medias de 10–22–10–23 s.
El hidrógeno natural consta de moléculas de H 2 y HD (deuteruro de hidrógeno) en una proporción de 3200: 1. El contenido de hidrógeno D 2 de deuterio puro es incluso menor. La relación de las concentraciones de HD y D 2 es aproximadamente 6400: 1.
De todos los isótopos de elementos químicos, físicos y Propiedades químicas Los isótopos de hidrógeno se diferencian mucho entre sí. Esto se debe al mayor cambio relativo en las masas atómicas.
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Temperatura |
Temperatura |
Triple |
Crítico |
Densidad |
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El deuterio y el tritio también tienen modificaciones orto y para: pags-D 2, o-D 2, pags-T 2, o-T 2. El hidrógeno heteroisotópico (HD, HT, DT) no tiene modificaciones orto y para.
Propiedades químicas
Fracción de moléculas de hidrógeno disociadas
Las moléculas de hidrógeno H 2 son bastante fuertes y se debe gastar mucha energía para que reaccione el hidrógeno:
H 2 = 2H - 432 kJ
Por lo tanto, a temperaturas ordinarias, el hidrógeno reacciona solo con metales muy activos, por ejemplo con calcio, formando hidruro de calcio:
Ca + H 2 = CaH 2
y con el único no metálico - flúor, formando fluoruro de hidrógeno:
Con la mayoría de los metales y no metales, el hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas o bajo otras influencias, por ejemplo, bajo iluminación:
О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О
Puede "tomar" oxígeno de algunos óxidos, por ejemplo:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O
La ecuación escrita refleja propiedades reconstituyentes hidrógeno.
N 2 + 3H 2 → 2NH 3
Forma haluros de hidrógeno con halógenos:
F 2 + H 2 → 2HF, la reacción procede con una explosión en la oscuridad y a cualquier temperatura,
Cl 2 + H 2 → 2HCl, la reacción procede con una explosión, solo a la luz.
Reacciona con el hollín bajo un fuerte calentamiento:
C + 2H 2 → CH 4
Interacción con metales alcalinos y alcalinotérreos
Al interactuar con metales activos, el hidrógeno forma hidruros:
2Na + H 2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
Mg + H 2 → MgH 2
Hidruros- sustancias sólidas, saladas, fácilmente hidrolizadas:
CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2
Interacción con óxidos metálicos (generalmente elementos d)
Los óxidos se reducen a metales:
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O
WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O
Hidrogenación de compuestos orgánicos
El hidrógeno molecular se utiliza ampliamente en la síntesis orgánica para la reducción. compuestos orgánicos... Estos procesos se denominan reacciones de hidrogenación... Estas reacciones se llevan a cabo en presencia de un catalizador a presión y temperatura elevadas. El catalizador puede ser homogéneo (por ejemplo, catalizador de Wilkinson) o heterogéneo (por ejemplo, níquel Raney, paladio-carbono).
Entonces, en particular, durante la hidrogenación catalítica de compuestos insaturados como alquenos y alquinos, se forman compuestos saturados: alcanos.
Geoquímica del hidrógeno
El hidrógeno libre H 2 es relativamente raro en los gases terrestres, pero en forma de agua juega un papel extremadamente importante en los procesos geoquímicos.
El hidrógeno puede formar parte de minerales en forma de ión amonio, ión hidroxilo y agua cristalina.
En la atmósfera, el hidrógeno se produce continuamente por la descomposición del agua por la radiación solar. Al tener una masa pequeña, las moléculas de hidrógeno tienen una alta velocidad de movimiento de difusión (está cerca de la segunda velocidad cósmica) y, al caer a las capas superiores de la atmósfera, pueden volar al espacio.
Características del tratamiento
Cuando se mezcla con aire, el hidrógeno forma una mezcla explosiva, el llamado gas explosivo. Este gas es más explosivo cuando la relación volumétrica de hidrógeno y oxígeno es 2: 1, o hidrógeno y aire es aproximadamente 2: 5, ya que el aire contiene aproximadamente 21% de oxígeno. Además, el hidrógeno es peligroso para el fuego. El hidrógeno líquido puede causar graves quemaduras por congelación si entra en contacto con la piel.
Las concentraciones explosivas de hidrógeno con oxígeno se elevan del 4% al 96% en volumen. Cuando se mezcla con aire del 4% al 75 (74)% en volumen.
Economía
El costo del hidrógeno para suministros mayoristas a gran escala fluctúa en el rango de $ 2-5 por kg.
Solicitud
El hidrógeno atómico se utiliza para la soldadura con hidrógeno atómico.
Industria química
- En la producción de amoniaco, metanol, jabón y plásticos.
- En la producción de margarina a partir de aceites vegetales líquidos.
- Registrado como aditivo alimentario E949(gas de empaque)
Industria de alimentos
Industria de aviación
El hidrógeno es muy ligero y siempre se eleva en el aire. Una vez dirigibles y Globos lleno de hidrógeno. Pero en los años 30. Siglo XX hubo varios desastres, durante los cuales las aeronaves explotaron y se incendiaron. Hoy en día, los dirigibles están llenos de helio, a pesar de su costo significativamente más alto.
Combustible
El hidrógeno se utiliza como propulsor.
Se están realizando investigaciones sobre el uso de hidrógeno como combustible para turismos y camiones... Los motores de hidrógeno no contaminan ambiente y emiten solo vapor de agua.
Las pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno utilizan hidrógeno para convertir directamente la energía reacción química en eléctrico.
"Hidrógeno líquido"("LH") es un estado líquido agregado de hidrógeno, con un bajo peso específico de 0,07 g / cm³ y propiedades criogénicas con un punto de congelación de 14,01 K (−259,14 ° C) y un punto de ebullición de 20,28 K (−252,87 ° C). Es un líquido incoloro e inodoro que, cuando se mezcla con el aire, se clasifica como explosivo con un rango de inflamabilidad del 4 al 75%. La relación de giro de los isómeros en el hidrógeno líquido es: 99,79% - parahidrógeno; 0,21% - ortohidrógeno. El coeficiente de expansión del hidrógeno al cambiar el estado de agregación a gaseoso es 848: 1 a 20 ° C.
Como ocurre con cualquier gas, la licuefacción del hidrógeno conduce a una disminución de su volumen. Después de la licuefacción, "LH" se almacena en contenedores térmicamente aislados bajo presión. Hidrógeno líquido (rus. Hidrógeno liquido, LH2, LH 2) se utiliza activamente en la industria, como forma de almacenamiento de gas, y en la industria espacial, como combustible para cohetes.
Historia
El primer uso documentado de enfriamiento artificial en 1756 lo llevó a cabo el científico inglés William Cullen, Gaspard Monge fue el primero en obtener el estado líquido del óxido de azufre en 1784, Michael Faraday fue el primero en obtener amoníaco licuado, el inventor estadounidense Oliver Evans fue el primero en desarrollar un compresor de refrigeración en 1805, Jacob Perkins fue el primero en patentar una máquina de enfriamiento en 1834, y John Gorey fue la primera patente estadounidense en patentar un acondicionador de aire en 1851. Werner Siemens propuso el concepto de enfriamiento regenerativo en 1857, Karl Linde patentó un equipo para producir aire líquido utilizando el efecto de expansión en cascada de Joule-Thomson y el enfriamiento regenerativo en 1876. En 1885, el físico y químico polaco Sigmund Wrobblewski publicó una temperatura crítica de 33 K para el hidrógeno y una presión crítica de 13,3 atm. y un punto de ebullición de 23 K. El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 utilizando refrigeración regenerativa y su invento, el recipiente Dewar. La primera síntesis del isómero estable del hidrógeno líquido, el parahidrógeno, fue realizada por Paul Hartek y Karl Bonhoeffer en 1929.
Spin isómeros de hidrógeno
El hidrógeno a temperatura ambiente consiste principalmente en el isómero de espín, ortohidrógeno. Después de la producción, el hidrógeno líquido se encuentra en un estado metaestable y debe convertirse en una forma parahidrogénica para evitar la reacción exotérmica explosiva que ocurre cuando cambia a bajas temperaturas. La conversión a la fase parahidrógeno se lleva a cabo habitualmente utilizando catalizadores como óxido de hierro, óxido de cromo, Carbón activado amianto recubierto de platino, metales de tierras raras o mediante el uso de aditivos de uranio o níquel.
Uso
El hidrógeno líquido se puede utilizar como una forma de almacenamiento de combustible para motores de combustión interna y pilas de combustible. Se han creado varios submarinos (proyectos 212A y 214, Alemania) y conceptos de transporte de hidrógeno utilizando esta forma agregada de hidrógeno (ver, por ejemplo, "DeepC" o "BMW H2R"). Debido a la proximidad de las estructuras, los creadores de los equipos en "ZhV" pueden utilizar o solo modificar los sistemas que utilizan gas natural licuado ("LNG"). Sin embargo, debido a la menor densidad de energía aparente, la combustión requiere un mayor volumen de hidrógeno que el gas natural. Si se usa hidrógeno líquido en lugar de "GNC" en motores alternativos, generalmente se requiere un sistema de combustible más engorroso. Con la inyección directa, las mayores pérdidas de admisión reducen el llenado del cilindro.
El hidrógeno líquido también se utiliza para enfriar neutrones en experimentos de dispersión de neutrones. Las masas del neutrón y del núcleo de hidrógeno son prácticamente iguales, por lo que el intercambio de energía en una colisión elástica es más efectivo.
Ventajas
La ventaja de utilizar hidrógeno es la "emisión cero" de su uso. El producto de su interacción con el aire es el agua.
Obstáculos
Un litro de "ZhV" pesa solo 0,07 kg. Es decir, su gravedad específica es de 70,99 g / la 20 K. El hidrógeno líquido requiere tecnología de almacenamiento criogénico, como contenedores especiales con aislamiento térmico, y requiere un manejo especial, que es típico de todos los materiales criogénicos. A este respecto, está cerca del oxígeno líquido, pero requiere más precaución debido al peligro de incendio. Incluso con recipientes con aislamiento térmico, es difícil mantenerlo a la temperatura baja requerida para mantenerlo líquido (generalmente se evapora a una tasa del 1% por día). Al manipularlo, también debe seguir las precauciones de seguridad habituales al trabajar con hidrógeno: es lo suficientemente frío como para licuar el aire, que es explosivo.
Combustible para cohetes
El hidrógeno líquido es un componente común de los combustibles para cohetes que se utiliza para la aceleración de chorros de vehículos de lanzamiento y naves espaciales. En la mayoría de los motores cohete propulsores líquidos alimentados con hidrógeno, primero se utiliza para enfriar de forma regenerativa la boquilla y otras partes del motor, antes de mezclarlo con un oxidante y quemarlo para producir empuje. Los motores modernos de H 2 / O 2 usados consumen una mezcla de combustible enriquecida, lo que da como resultado algo de hidrógeno no quemado en el escape. Además de aumentar el impulso específico del motor al reducir el peso molecular, reduce aún más la erosión de la boquilla y la cámara de combustión.
Tales obstáculos para el uso de "LH" en otras áreas, como la naturaleza criogénica y la baja densidad, también son un factor limitante para su uso en este caso. Para 2009, solo hay un vehículo de lanzamiento (LV "Delta-4"), que es completamente un cohete de hidrógeno. Básicamente, "ZhV" se utiliza en las etapas superiores de los cohetes o en los bloques, que realizan una parte importante del trabajo de poner la carga útil en el espacio en el vacío. Como una de las medidas para incrementar la densidad de este tipo de combustible, se propone utilizar hidrógeno fangoso, es decir, la forma semicongelada de "ZhV".
Si es el elemento químico más abundante en la Tierra, entonces el hidrógeno es el elemento más abundante en todo el universo. La nuestra (y otras estrellas) es aproximadamente la mitad de hidrógeno, y en cuanto al gas interestelar, tiene un 90% de átomos de hidrógeno. Este elemento químico también ocupa un lugar significativo en la Tierra, porque junto con el oxígeno forma parte del agua, y su mismo nombre "hidrógeno" proviene de dos palabras griegas antiguas: "agua" y "dar a luz". Además del agua, el hidrógeno está presente en la mayoría de las sustancias orgánicas y las células; sin él, así como sin oxígeno, la vida misma sería impensable.
La historia del descubrimiento del hidrógeno
El primer científico en notar el hidrógeno fue el gran alquimista y sanador de la Edad Media, Theophrastus Paracelso. En sus experimentos alquímicos, con la esperanza de encontrar la "piedra filosofal" mezclada con ácidos, Paracelso recibió un gas combustible previamente desconocido. Es cierto que no fue posible separar este gas del aire.
Solo un siglo y medio después de Paracelso, el químico francés Lemery logró separar el hidrógeno del aire y demostrar su inflamabilidad. Es cierto que Lemery no entendió que el gas que recibió era hidrógeno puro. Paralelamente, el científico ruso Lomonosov participó en experimentos químicos similares, pero el verdadero avance en el estudio del hidrógeno fue realizado por el químico inglés Henry Cavendish, quien es legítimamente considerado el descubridor del hidrógeno.
En 1766, Cavendish logró obtener hidrógeno puro, al que llamó "aire combustible". Después de otros 20 años, el talentoso químico francés Antoine Lavoisier pudo sintetizar agua y extraer de ella este mismo "aire combustible": el hidrógeno. Y, por cierto, fue Lavoisier quien propuso su nombre al hidrógeno: "Hydrogenium", también conocido como "hidrógeno".
Antoine Lavoisier con su esposa, quien lo ayudó a realizar experimentos químicos, incluida la síntesis de hidrógeno.
La disposición de los elementos químicos en el sistema periódico de Mendeleev se basa en su peso atómico, calculado en relación con el peso atómico del hidrógeno. Es decir, en otras palabras, el hidrógeno y su peso atómico es la piedra angular de la tabla periódica, el punto de apoyo a partir del cual el gran químico creó su sistema. Por tanto, no es de extrañar que el hidrógeno ocupe el honorable primer lugar en la tabla periódica.
Además, el hidrógeno tiene las siguientes características:
- La masa atómica del hidrógeno es 1.00795.
- El hidrógeno tiene tres isótopos disponibles, cada uno con propiedades individuales.
- El hidrógeno es un elemento ligero de baja densidad.
- El hidrógeno tiene propiedades oxidantes y reductoras.
- Al entrar con los metales, el hidrógeno toma su electrón y se convierte en un agente oxidante. Estos compuestos se denominan hidratos.
El hidrógeno es un gas, su molécula consta de dos átomos.
Así es como se ve esquemáticamente una molécula de hidrógeno.
El hidrógeno molecular formado a partir de tales moléculas diatómicas explota cuando se enciende una cerilla encendida. La molécula de hidrógeno en la explosión se descompone en átomos, que se convierten en núcleos de helio. Así es exactamente como sucede en el Sol y otras estrellas: debido a la constante desintegración de las moléculas de hidrógeno, nuestra estrella nos quema y nos calienta con su calor.
Propiedades físicas del hidrógeno
El hidrógeno tiene las siguientes propiedades físicas:
- El punto de ebullición del hidrógeno es de 252,76 ° C;
- Y a una temperatura de 259,14 ° C, ya empieza a fundirse.
- El hidrógeno se disuelve ligeramente en agua.
- El hidrógeno puro es una sustancia explosiva e inflamable muy peligrosa.
- El hidrógeno es 14,5 veces más ligero que el aire.
Propiedades químicas del hidrógeno
Dado que el hidrógeno puede ser en diferentes situaciones tanto oxidante como reductor, se utiliza para realizar reacciones y síntesis.
Las propiedades oxidantes del hidrógeno interactúan con metales activos (generalmente alcalinos y alcalinotérreos), el resultado de estas interacciones es la formación de hidruros, compuestos similares a las sales. Sin embargo, también se forman hidruros durante las reacciones del hidrógeno con metales de baja actividad.
Las propiedades reductoras del hidrógeno tienen la capacidad de reducir los metales a sustancias simples a partir de sus óxidos, en la industria esto se llama hidrogenotermia.
¿Cómo conseguir hidrógeno?
Entre los medios industriales para producir hidrógeno se encuentran:
- gasificación de carbón,
- reformado con vapor de metano,
- electrólisis.
En el laboratorio se puede obtener hidrógeno:
- durante la hidrólisis de hidruros metálicos,
- al reaccionar con agua de metales alcalinos y alcalinotérreos,
- cuando los ácidos diluidos reaccionan con metales activos.
Aplicación de hidrógeno
Dado que el hidrógeno es 14 veces más liviano que el aire, en los viejos tiempos estaba lleno de globos y dirigibles. Pero luego de una serie de desastres ocurridos con las aeronaves, los diseñadores tuvieron que buscar un reemplazo para el hidrógeno (recordemos que el hidrógeno puro es una sustancia explosiva, y la más mínima chispa fue suficiente para provocar una explosión).
La explosión de la aeronave Hindenburg en 1937, la causa de la explosión fue el encendido del hidrógeno (debido a un cortocircuito), sobre el cual voló esta enorme aeronave.
Por lo tanto, para tales aviones, en lugar de hidrógeno, comenzaron a usar helio, que también es más liviano que el aire, obtener helio es más laborioso, pero no es tan explosivo como el hidrógeno.
Además, el hidrógeno se usa para limpiar diferentes tipos combustibles, especialmente a base de petróleo y productos derivados del petróleo.
Video de hidrógeno
Y en conclusión, un video educativo sobre el tema de nuestro artículo.
Propiedades químicas del hidrógeno
En condiciones normales, el hidrógeno molecular es comparativamente poco activo, combinándose directamente solo con los no metales más activos (con flúor, a la luz y con cloro). Sin embargo, cuando se calienta, reacciona con muchos elementos.
El hidrógeno reacciona con simples y sustancias complejas:
- Interacción del hidrógeno con los metales. conduce a la formación de sustancias complejas: hidruros, en cuyas fórmulas químicas el átomo de metal siempre es lo primero:
A altas temperaturas, el hidrógeno reacciona directamente con algunos metales(alcalinos, alcalinotérreos y otros), formando blanco sustancias cristalinas- hidruros metálicos (Li H, Na H, KH, CaH 2, etc.):
H 2 + 2Li = 2LiH
Los hidruros metálicos se descomponen fácilmente con el agua para formar el álcali y el hidrógeno correspondientes:
California H 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + 2H 2
- Cuando el hidrógeno interactúa con los no metales. se forman compuestos de hidrógeno volátiles. En la fórmula química de un compuesto de hidrógeno volátil, un átomo de hidrógeno puede estar en el primer o segundo lugar, dependiendo de su ubicación en el PSCE (vea la placa en la diapositiva):1). Con oxigeno El hidrógeno forma agua:
Video "Combustión de hidrógeno"
2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q
A temperaturas ordinarias, la reacción avanza extremadamente lentamente, por encima de 550 ° C, con una explosión. (una mezcla de 2 volúmenes de H 2 y 1 volumen de O 2 se llama gas oxihidrógeno)
.
Video "Explosión de gas oxhídrico"
Video "Cocción y explosión de una mezcla explosiva"
2). Con halógenos El hidrógeno forma haluros de hidrógeno, por ejemplo:
H 2 + Cl 2 = 2HCl
Al mismo tiempo, el hidrógeno explota con flúor (incluso en la oscuridad y a -252 ° C), reacciona con el cloro y el bromo solo cuando se ilumina o calienta, y con yodo solo cuando se calienta.
3). Con nitrógeno El hidrógeno interactúa con la formación de amoníaco:
ÇН 2 + N 2 = 2NН 3
sólo en un catalizador y a temperaturas y presiones elevadas.
4). Cuando se calienta, el hidrógeno reacciona vigorosamente. con gris:
H 2 + S = H 2 S (sulfuro de hidrógeno),
es mucho más difícil con selenio y telurio.
5). Con carbono puro El hidrógeno puede reaccionar sin catalizador solo a altas temperaturas:
2H 2 + C (amorfo) = CH 4 (metano)
- El hidrógeno entra en una reacción de sustitución con óxidos metálicos , mientras que se forma agua en los productos y se reduce el metal. Hidrógeno: exhibe las propiedades de un agente reductor:
Se usa hidrógeno para la recuperación de muchos metales, ya que toma oxígeno de sus óxidos:
Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O, etc.
Aplicación de hidrógeno
Video "Aplicación de hidrógeno"
Actualmente, el hidrógeno se produce en grandes cantidades. Una gran parte se utiliza en la síntesis de amoniaco, hidrogenación de grasas y en la hidrogenación de carbón, aceites e hidrocarburos. Además, el hidrógeno se utiliza para la síntesis. de ácido clorhídrico, alcohol metílico, ácido cianhídrico, en la soldadura y forja de metales, así como en la fabricación de lámparas incandescentes y piedras preciosas... El hidrógeno sale a la venta en cilindros a una presión de más de 150 atm. Son de color verde oscuro y tienen la inscripción roja "Hidrógeno".
El hidrógeno se utiliza para convertir grasas líquidas en sólidas (hidrogenación), producción de combustibles líquidos por hidrogenación de carbón y fuel oil. En metalurgia, el hidrógeno se utiliza como reductor de óxidos o cloruros para la obtención de metales y no metales (germanio, silicio, galio, circonio, hafnio, molibdeno, tungsteno, etc.).
La aplicación práctica del hidrógeno es diversa: generalmente se llena con sondas de globo, en industria química sirve como materia prima para la producción de muchos productos muy importantes (amoníaco, etc.), en alimentos - para la producción de grasas sólidas a partir de aceites vegetales, etc. La alta temperatura (hasta 2600 ° C) resultante de la combustión de hidrógeno en oxígeno se utiliza para fundir metales refractarios, cuarzo, etc. El hidrógeno líquido es uno de los combustibles para aviones más eficientes. El consumo mundial anual de hidrógeno supera el millón de toneladas.
Entrenadores
# 2. Hidrógeno
TAREAS DE FONDEO
Tarea número 1Invente las ecuaciones para las reacciones de la interacción del hidrógeno con las siguientes sustancias: F 2, Ca, Al 2 O 3, óxido de mercurio (II), óxido de tungsteno (VI). Nombra los productos de reacción, indica los tipos de reacciones.
Tarea número 2
Realice las transformaciones según el esquema:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2
Tarea número 3.
Calcule la masa de agua que se puede obtener quemando 8 g de hidrógeno.
El átomo de hidrógeno tiene la fórmula electrónica del nivel electrónico externo (y único) 1 s una . Por un lado, por la presencia de un electrón en el nivel electrónico externo, el átomo de hidrógeno es similar a los átomos de los metales alcalinos. Sin embargo, al igual que los halógenos, solo le falta un electrón para llenar el nivel electrónico externo, ya que no se pueden ubicar más de 2 electrones en el primer nivel electrónico. Resulta que el hidrógeno se puede colocar simultáneamente tanto en el primer como en el penúltimo (séptimo) grupo de la tabla periódica, lo que a veces se hace en diferentes versiones del sistema periódico:
En cuanto a las propiedades del hidrógeno como sustancia simple, todavía tiene más en común con los halógenos. El hidrógeno, como los halógenos, no es un metal y forma, como ellos, moléculas diatómicas (H2).
En condiciones normales, el hidrógeno es una sustancia gaseosa de baja actividad. La baja actividad del hidrógeno se explica por la alta fuerza del enlace entre los átomos de hidrógeno en la molécula, que requiere un fuerte calentamiento, o el uso de catalizadores, o ambos al mismo tiempo para romperlo.
Interacción del hidrógeno con sustancias simples.
con metales
¡De los metales, el hidrógeno reacciona solo con metales alcalinos y alcalinotérreos! A Metales alcalinos incluir metales del subgrupo principal Grupo I(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) y a los metales alcalinotérreos del subgrupo principal II grupo, excepto berilio y magnesio (Ca, Sr, Ba, Ra)
Al interactuar con metales activos, el hidrógeno exhibe propiedades oxidantes, es decir, reduce su estado de oxidación. En este caso, se forman hidruros de metales alcalinos y alcalinotérreos, que tienen una estructura iónica. Esta reacción se produce calentando:
Cabe señalar que la interacción con metales activos es el único caso cuando hidrógeno molecular H 2 es un agente oxidante.
con no metales
De los no metales, el hidrógeno reacciona solo con carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, selenio y halógenos.
El carbono debe entenderse como grafito o carbono amorfo, ya que el diamante es un material extremadamente inerte. modificación alotrópica carbón.
Al interactuar con los no metales, el hidrógeno solo puede realizar la función de un agente reductor, es decir, solo aumentar su estado de oxidación:
Interacción del hidrógeno con sustancias complejas.
con óxidos metálicos
El hidrógeno no reacciona con los óxidos metálicos que se encuentran en el rango de actividad del metal hasta el aluminio (incluido), sin embargo, puede reducir muchos óxidos metálicos a la derecha del aluminio cuando se calienta:
con óxidos de no metales
De los óxidos de los no metales, el hidrógeno reacciona cuando se calienta con óxidos de nitrógeno, halógenos y carbono. De todas las interacciones del hidrógeno con óxidos de no metales, cabe destacar especialmente su reacción con monóxido de carbono CO.
La mezcla de CO y H 2 incluso tiene su propio nombre: "gas de síntesis", ya que, según las condiciones, se pueden obtener productos industriales tan populares como el metanol, el formaldehído e incluso los hidrocarburos sintéticos:
con ácidos
¡El hidrógeno no reacciona con los ácidos inorgánicos!
De los ácidos orgánicos, el hidrógeno reacciona solo con los insaturados, así como con los ácidos que contienen grupos funcionales susceptibles de ser reducidos por hidrógeno, en particular grupos aldehído, ceto o nitro.
con sales
En el caso de soluciones acuosas de sales, no se produce su interacción con el hidrógeno. Sin embargo, cuando se hace pasar hidrógeno sobre sales sólidas de algunos metales de media y baja actividad, es posible su reducción parcial o completa, por ejemplo:
Propiedades químicas de los halógenos.
Los elementos químicos del grupo VIIA (F, Cl, Br, I, At), así como las sustancias simples formadas por ellos, se denominan halógenos. En lo sucesivo, a menos que se indique lo contrario, los halógenos significarán simplemente sustancias simples.
Todos los halógenos tienen estructura molecular cuales causas temperaturas bajas fusión y ebullición de estas sustancias. Las moléculas de halógeno son diatómicas, es decir su fórmula se puede escribir en forma general como Hal 2.
Cabe señalar una propiedad física tan específica del yodo como su capacidad para sublimación o, en otras palabras, sublimación. Sublimación, se denomina fenómeno en el que una sustancia en estado sólido no se funde cuando se calienta, sino que, sin pasar por la fase líquida, pasa inmediatamente a un estado gaseoso.
Estructura electronica el nivel de energía externa de un átomo de cualquier halógeno tiene la forma ns 2 np 5, donde n es el número del período de la tabla periódica en el que se encuentra el halógeno. Como puede ver, hasta la capa exterior de ocho electrones, los átomos de halógeno carecen de un solo electrón. A partir de esto, es lógico asumir propiedades predominantemente oxidantes de los halógenos libres, lo que también se confirma en la práctica. Como saben, la electronegatividad de los no metales disminuye al descender por el subgrupo y, por lo tanto, la actividad de los halógenos disminuye en el siguiente orden:
F 2> Cl 2> Br 2> I 2
Interacción de halógenos con sustancias simples.
Todos los halógenos son muy reactivos y reaccionan con la mayoría de las sustancias simples. Sin embargo, cabe señalar que el flúor, debido a su altísima reactividad puede reaccionar incluso con esos sustancias simples, con los que otros halógenos no pueden reaccionar. Estas sustancias simples incluyen oxígeno, carbono (diamante), nitrógeno, platino, oro y algunos gases nobles (xenón y criptón). Aquellos. actualmente, el flúor no reacciona solo con algunos gases nobles.
El resto de halógenos, es decir el cloro, el bromo y el yodo también son sustancias activas, pero menos activas que el flúor. Reaccionan con casi todas las sustancias simples excepto oxígeno, nitrógeno, carbono en forma de diamante, platino, oro y gases nobles.
Interacción de halógenos con no metales.
hidrógeno
Cuando todos los halógenos reaccionan con el hidrógeno, haluros de hidrogeno con la fórmula general HHal. En este caso, la reacción del flúor con el hidrógeno comienza espontáneamente incluso en la oscuridad y continúa con una explosión de acuerdo con la ecuación:
La reacción del cloro con hidrógeno puede iniciarse mediante una intensa irradiación ultravioleta o calentamiento. También procede con una explosión:
El bromo y el yodo reaccionan con el hidrógeno solo cuando se calientan y, al mismo tiempo, la reacción con el yodo es reversible:
fósforo
La interacción del flúor con el fósforo conduce a la oxidación del fósforo al estado de oxidación más alto (+5). En este caso, se produce la formación de pentafluoruro de fósforo:
Cuando el cloro y el bromo interactúan con el fósforo, es posible obtener haluros de fósforo tanto en el estado de oxidación + 3 como en el estado de oxidación +5, que depende de las proporciones de los reactivos:
En este caso, en el caso del fósforo blanco en una atmósfera de flúor, cloro o bromo líquido, la reacción se inicia de forma espontánea.
La interacción del fósforo con el yodo puede conducir a la formación de solo trioduro de fósforo debido a la capacidad oxidante significativamente menor que la de otros halógenos:
gris
El flúor oxida el azufre al estado de oxidación más alto +6, formando hexafluoruro de azufre:
El cloro y el bromo reaccionan con el azufre, formando compuestos que contienen azufre en los estados de oxidación extremadamente inusuales de +1 y +2. Estas interacciones son muy específicas y para pasando el examen en química, no es necesaria la capacidad de escribir las ecuaciones de estas interacciones. Por lo tanto, las siguientes tres ecuaciones se dan más bien con fines informativos:
Interacción de halógenos con metales.
Como se mencionó anteriormente, el flúor es capaz de reaccionar con todos los metales, incluso los inactivos como el platino y el oro:
El resto de halógenos reacciona con todos los metales excepto el platino y el oro:
Reacciones de halógenos con sustancias complejas.
Reacciones de sustitución con halógenos
Halógenos más activos, es decir cuyos elementos químicos se encuentran más arriba en la tabla periódica son capaces de desplazar los halógenos menos activos de los ácidos hidrohálicos y haluros metálicos que forman:
Asimismo, el bromo desplaza el azufre de las soluciones de sulfuro y sulfuro de hidrógeno:
El cloro es un agente oxidante más fuerte y oxida el sulfuro de hidrógeno en su solución acuosa no a azufre, sino a ácido sulfúrico:
Interacción de halógenos con agua.
El agua arde en flúor con una llama azul de acuerdo con la ecuación de reacción:
El bromo y el cloro reaccionan con el agua de manera diferente al flúor. Si el flúor actuaba como agente oxidante, el cloro y el bromo se desproporcionaban en el agua, formando una mezcla de ácidos. En este caso, las reacciones son reversibles:
La interacción del yodo con el agua se produce en un grado tan insignificante que puede pasarse por alto y se puede suponer que la reacción no se produce en absoluto.
Interacción de halógenos con soluciones alcalinas.
Flúor al interactuar con solución acuosa el álcali actúa nuevamente como un agente oxidante:
No se requiere la habilidad de escribir esta ecuación para aprobar el examen. Es suficiente conocer el hecho sobre la posibilidad de tal interacción y el papel oxidativo del flúor en esta reacción.
A diferencia del flúor, otros halógenos en soluciones alcalinas se desproporcionan, es decir, aumentan y disminuyen simultáneamente su estado de oxidación. En este caso, en el caso del cloro y el bromo, dependiendo de la temperatura, es posible el flujo en dos direcciones diferentes. En particular, en frío, las reacciones proceden de la siguiente manera:
y cuando se calienta:
El yodo reacciona con los álcalis exclusivamente de acuerdo con la segunda opción, es decir con la formación de yodato, porque la hipoyoditis no es estable no solo cuando se calienta, sino también a temperaturas normales e incluso en climas fríos.