คุณสมบัติทางเคมีของไฮโดรเจน

ภายใต้สภาวะปกติ โมเลกุลไฮโดรเจนจะมีฤทธิ์ค่อนข้างน้อย โดยจะรวมโดยตรงกับสารที่ไม่ใช่โลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุดเท่านั้น (กับฟลูออรีน และในแสงที่มีคลอรีน) แต่เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบหลายอย่าง

ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับสารที่ง่ายและซับซ้อน:

- ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับโลหะ นำไปสู่การก่อตัวของสารที่ซับซ้อน - ไฮไดรด์ในสูตรทางเคมีที่อะตอมของโลหะมาก่อนเสมอ:

ที่อุณหภูมิสูง ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยาโดยตรง ด้วยโลหะบางชนิด(อัลคาไลน์, อัลคาไลน์เอิร์ทและอื่นๆ) ทำให้เกิดสารผลึกสีขาว - โลหะไฮไดรด์ (Li H, Na H, KH, CaH 2 ฯลฯ):

H 2 + 2Li = 2LiH

โลหะไฮไดรด์สามารถสลายตัวได้ง่ายด้วยน้ำเพื่อสร้างอัลคาไลและไฮโดรเจนที่สอดคล้องกัน:

ส เอช 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2

- เมื่อไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับอโลหะ สารประกอบไฮโดรเจนระเหยง่ายเกิดขึ้น ในสูตรทางเคมีของสารประกอบไฮโดรเจนที่ระเหยง่าย อะตอมของไฮโดรเจนสามารถอยู่ในตำแหน่งที่หนึ่งหรือสองก็ได้ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของมันใน PSHE (ดูแผ่นป้ายในสไลด์):

1). ด้วยออกซิเจนไฮโดรเจนก่อตัวเป็นน้ำ:

วิดีโอ "การเผาไหม้ของไฮโดรเจน"

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q

ที่อุณหภูมิปกติ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นช้ามาก ที่อุณหภูมิสูงกว่า 550°C โดยเกิดการระเบิด (เรียกว่าส่วนผสมของ H 2 2 เล่มและ 1 เล่มของ O 2 ก๊าซระเบิด) .

วิดีโอ "การระเบิดของก๊าซระเบิด"

วิดีโอ "การเตรียมและการระเบิดของส่วนผสมที่ระเบิดได้"

2). ด้วยฮาโลเจนไฮโดรเจนเกิดเป็นไฮโดรเจนเฮไลด์ เช่น

H 2 + Cl 2 = 2HCl

ในเวลาเดียวกัน ไฮโดรเจนจะระเบิดด้วยฟลูออรีน (แม้ในที่มืดและที่อุณหภูมิ - 252°C) ทำปฏิกิริยากับคลอรีนและโบรมีนเฉพาะเมื่อได้รับแสงสว่างหรือได้รับความร้อน และกับไอโอดีนเมื่อได้รับความร้อนเท่านั้น

3). ด้วยไนโตรเจนไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับแอมโมเนีย:

ZN 2 + N 2 = 2NH 3

เฉพาะตัวเร่งปฏิกิริยาและที่อุณหภูมิและความดันสูงเท่านั้น

4) เมื่อถูกความร้อน ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรง ด้วยกำมะถัน:

H 2 + S = H 2 S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์)

ยากกว่ามากกับซีลีเนียมและเทลลูเรียม

5). ด้วยคาร์บอนบริสุทธิ์ไฮโดรเจนสามารถทำปฏิกิริยาได้โดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น:

2H 2 + C (อสัณฐาน) = CH 4 (มีเทน)

- ไฮโดรเจนเกิดปฏิกิริยาทดแทนกับออกไซด์ของโลหะ ในกรณีนี้น้ำจะก่อตัวขึ้นในผลิตภัณฑ์และโลหะจะลดลง ไฮโดรเจน - แสดงคุณสมบัติของตัวรีดิวซ์:

มีการใช้ไฮโดรเจน เพื่อการนำโลหะกลับมาใช้ใหม่หลายชนิดเนื่องจากมันนำออกซิเจนออกจากออกไซด์:

เฟ 3 O 4 + 4H 2 = 3เฟ + 4H 2 O เป็นต้น

การประยุกต์ไฮโดรเจน

วิดีโอ "การใช้ไฮโดรเจน"

ปัจจุบันมีการผลิตไฮโดรเจนในปริมาณมหาศาล ส่วนใหญ่ใช้ในการสังเคราะห์แอมโมเนีย การเติมไฮโดรเจนของไขมัน และการเติมไฮโดรเจนของถ่านหิน น้ำมัน และไฮโดรคาร์บอน นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังใช้สำหรับการสังเคราะห์กรดไฮโดรคลอริก เมทิลแอลกอฮอล์ กรดไฮโดรไซยานิก ในการเชื่อมและการตีโลหะ ตลอดจนในการผลิตหลอดไส้และอัญมณี ไฮโดรเจนขายในกระบอกสูบภายใต้ความดันมากกว่า 150 เอทีเอ็ม ทาสีเขียวเข้มและมีจารึกสีแดงว่า "ไฮโดรเจน"

ไฮโดรเจนใช้ในการแปลงไขมันเหลวให้เป็นไขมันแข็ง (เติมไฮโดรเจน) เพื่อผลิตเชื้อเพลิงเหลวโดยการเติมไฮโดรเจนถ่านหินและน้ำมันเชื้อเพลิง ในโลหะวิทยา ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นตัวรีดิวซ์สำหรับออกไซด์หรือคลอไรด์เพื่อผลิตโลหะและอโลหะ (เจอร์เมเนียม ซิลิคอน แกลเลียม เซอร์โคเนียม แฮฟเนียม โมลิบดีนัม ทังสเตน ฯลฯ)

การใช้งานจริงของไฮโดรเจนมีความหลากหลาย: โดยปกติจะใช้เพื่อเติมบอลลูนโพรบ ในอุตสาหกรรมเคมี ไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ที่สำคัญมากหลายอย่าง (แอมโมเนีย ฯลฯ) ในอุตสาหกรรมอาหาร - เพื่อการผลิต ของไขมันแข็งจากน้ำมันพืช ฯลฯ อุณหภูมิสูง (สูงถึง 2,600 °C) ซึ่งได้จากการเผาไหม้ไฮโดรเจนในออกซิเจน ใช้ในการหลอมโลหะทนไฟ ควอทซ์ ฯลฯ ไฮโดรเจนเหลวเป็นหนึ่งในเชื้อเพลิงเครื่องบินที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ปริมาณการใช้ไฮโดรเจนทั่วโลกต่อปีเกิน 1 ล้านตัน

เครื่องจำลอง

ลำดับที่ 2. ไฮโดรเจน

งานที่ได้รับมอบหมาย

ภารกิจที่ 1
เขียนสมการปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับสารต่อไปนี้: F 2, Ca, Al 2 O 3, ปรอท (II) ออกไซด์, ทังสเตน (VI) ออกไซด์ ตั้งชื่อผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา ระบุประเภทของปฏิกิริยา

ภารกิจที่ 2
ดำเนินการเปลี่ยนแปลงตามโครงการ:
เอช 2 โอ -> เอช 2 -> เอช 2 ส -> ดังนั้น 2

ภารกิจที่ 3
คำนวณมวลของน้ำที่สามารถได้จากการเผาไหม้ไฮโดรเจน 8 กรัม?

วิธีการทางอุตสาหกรรมในการผลิตสารอย่างง่ายนั้นขึ้นอยู่กับรูปแบบที่พบองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องในธรรมชาติ นั่นคือสิ่งที่สามารถเป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตได้ ดังนั้นออกซิเจนที่มีอยู่ในสถานะอิสระจึงได้มาทางกายภาพโดยการแยกออกจากอากาศของเหลว ไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดอยู่ในรูปของสารประกอบ ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีทางเคมีเพื่อให้ได้มา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สามารถใช้ปฏิกิริยาการสลายตัวได้ วิธีหนึ่งในการผลิตไฮโดรเจนคือการสลายตัวของน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า

วิธีทางอุตสาหกรรมหลักในการผลิตไฮโดรเจนคือปฏิกิริยาระหว่างมีเทนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของก๊าซธรรมชาติกับน้ำ ดำเนินการที่อุณหภูมิสูง (ตรวจสอบได้ง่ายว่าเมื่อส่งมีเธนแม้ผ่านน้ำเดือดจะไม่เกิดปฏิกิริยาใด ๆ ):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 กิโลจูล

ในห้องปฏิบัติการ เพื่อให้ได้สารอย่างง่าย พวกเขาไม่จำเป็นต้องใช้วัตถุดิบจากธรรมชาติ แต่เลือกวัสดุเริ่มต้นที่สามารถแยกสารที่ต้องการได้ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่น ในห้องปฏิบัติการ ไม่ได้รับออกซิเจนจากอากาศ เช่นเดียวกับการผลิตไฮโดรเจน วิธีหนึ่งในห้องปฏิบัติการในการผลิตไฮโดรเจนซึ่งบางครั้งใช้ในอุตสาหกรรมคือการสลายตัวของน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า

โดยปกติแล้ว ไฮโดรเจนจะผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการโดยทำปฏิกิริยาสังกะสีกับกรดไฮโดรคลอริก

ในอุตสาหกรรม

1.กระแสไฟฟ้าของสารละลายเกลือในน้ำ:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.พ่นไอน้ำไปบนโค้กร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 1,000°C:

เอช 2 โอ + ซี ⇄ เอช 2 + CO

3.จากก๊าซธรรมชาติ

การแปลงไอน้ำ: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 °C) ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันด้วยออกซิเจน: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. การแตกร้าวและการปฏิรูปไฮโดรคาร์บอนในระหว่างการกลั่นน้ำมัน

ในห้องปฏิบัติการ

1.ผลของกรดเจือจางต่อโลหะในการทำปฏิกิริยานี้มักใช้สังกะสีและกรดไฮโดรคลอริก:

สังกะสี + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.ปฏิกิริยาระหว่างแคลเซียมกับน้ำ:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.การไฮโดรไลซิสของไฮไดรด์:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.ผลกระทบของด่างต่อสังกะสีหรืออลูมิเนียม:

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

5.การใช้กระแสไฟฟ้าในระหว่างอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายน้ำของอัลคาลิสหรือกรด ไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมาที่แคโทด ตัวอย่างเช่น:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

• เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการผลิตไฮโดรเจน

คุณสมบัติทางกายภาพ

ก๊าซไฮโดรเจนสามารถมีอยู่ได้สองรูปแบบ (การดัดแปลง) - ในรูปแบบของออร์โธ - และพาราไฮโดรเจน

ในโมเลกุลของออร์โธไฮโดรเจน (mp. −259.10 °C, bp −252.56 °C) การหมุนของนิวเคลียสมีทิศทางเหมือนกัน (ขนาน) และในพาราไฮโดรเจน (mp. −259.32 °C, bp. จุดเดือด -252.89 °C) - ตรงข้ามกัน (ตรงกันข้าม)

ไฮโดรเจนในรูปแบบ Allotropic สามารถแยกออกได้โดยการดูดซับคาร์บอนกัมมันต์ที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว ที่อุณหภูมิต่ำมาก ความสมดุลระหว่างออร์โธไฮโดรเจนและพาราไฮโดรเจนจะเปลี่ยนไปทางอย่างหลังเกือบทั้งหมด ที่ 80 K อัตราส่วนของแบบฟอร์มจะอยู่ที่ประมาณ 1:1 เมื่อถูกความร้อน พาราไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับจะถูกแปลงเป็นออร์โธไฮโดรเจนจนกระทั่งส่วนผสมก่อตัวขึ้นซึ่งมีความสมดุลที่อุณหภูมิห้อง (ออร์โธ-พารา: 75:25) หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ ซึ่งทำให้สามารถศึกษาคุณสมบัติของรูปแบบ allotropic แต่ละรายการได้ โมเลกุลไฮโดรเจนเป็นแบบไดอะตอมมิก - H₂ ภายใต้สภาวะปกติจะเป็นก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และรสจืด ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่เบาที่สุด โดยมีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศหลายเท่า แน่นอนว่า ยิ่งมวลของโมเลกุลมีขนาดเล็กลง ความเร็วของพวกมันก็จะยิ่งสูงขึ้นที่อุณหภูมิเดียวกัน เนื่องจากเป็นโมเลกุลที่เบาที่สุด โมเลกุลของไฮโดรเจนจึงเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าโมเลกุลของก๊าซอื่น ๆ จึงสามารถถ่ายเทความร้อนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งได้เร็วกว่า ตามมาว่าไฮโดรเจนมีค่าการนำความร้อนสูงที่สุดในบรรดาสารที่เป็นก๊าซ ค่าการนำความร้อนสูงกว่าค่าการนำความร้อนของอากาศประมาณเจ็ดเท่า

คุณสมบัติทางเคมี

โมเลกุลไฮโดรเจนH₂ค่อนข้างแรง และเพื่อให้ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยาได้ ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก: H 2 = 2H - 432 kJ ดังนั้นที่อุณหภูมิปกติ ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับโลหะที่มีฤทธิ์มากเท่านั้น เช่น แคลเซียม ทำให้เกิดแคลเซียม ไฮไดรด์: Ca + H 2 = CaH 2 และมีฟลูออรีนที่ไม่ใช่โลหะเพียงชนิดเดียวทำให้เกิดไฮโดรเจนฟลูออไรด์: F 2 + H 2 = 2HF สำหรับโลหะและอโลหะส่วนใหญ่ ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงหรือภายใต้อิทธิพลอื่น ๆ เช่น ,แสงสว่าง. สามารถ "ดึง" ออกซิเจนออกจากออกไซด์บางชนิดได้ เช่น CuO + H 2 = Cu + H 2 0 สมการที่เขียนสะท้อนถึงปฏิกิริยาการรีดักชัน ปฏิกิริยารีดักชันเป็นกระบวนการที่ออกซิเจนถูกกำจัดออกจากสารประกอบ สารที่นำออกซิเจนออกไปเรียกว่าสารรีดิวซ์ (ตัวออกซิไดซ์เอง) นอกจากนี้ จะมีการให้คำจำกัดความของแนวคิด "ออกซิเดชัน" และ "การรีดิวซ์" อีกประการหนึ่ง และคำจำกัดความนี้ ซึ่งในอดีตถือเป็นคำจำกัดความแรก ยังคงมีความสำคัญมาจนถึงทุกวันนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาเคมีอินทรีย์ ปฏิกิริยารีดักชันจะตรงกันข้ามกับปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เกิดขึ้นพร้อมกันเป็นกระบวนการเดียวเสมอ: เมื่อสารตัวหนึ่งถูกออกซิไดซ์ (ลดลง) การรีดักชัน (ออกซิเดชัน) ของอีกสารหนึ่งย่อมเกิดขึ้นพร้อมกัน

ยังไม่มีข้อความ 2 + 3H 2 → 2 NH 3

แบบฟอร์มที่มีฮาโลเจน ไฮโดรเจนเฮไลด์:

F 2 + H 2 → 2 HF ปฏิกิริยาเกิดระเบิดในที่มืดและที่อุณหภูมิใด ๆ Cl 2 + H 2 → 2 HCl ปฏิกิริยาเกิดระเบิดเฉพาะในที่มีแสงเท่านั้น

มันทำปฏิกิริยากับเขม่าภายใต้ความร้อนสูง:

C + 2H 2 → CH 4

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ธ

ไฮโดรเจนก่อตัวขึ้นพร้อมกับโลหะแอคทีฟ ไฮไดรด์:

นา + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 มก. + H 2 → MgH 2

ไฮไดรด์- สารคล้ายเกลือ แข็ง ไฮโดรไลซ์ได้ง่าย:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

ปฏิกิริยากับโลหะออกไซด์ (โดยปกติจะเป็นองค์ประกอบ d)

ออกไซด์จะถูกรีดิวซ์เป็นโลหะ:

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

การเติมไฮโดรเจนของสารประกอบอินทรีย์

เมื่อไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลและที่อุณหภูมิสูง จะเกิดปฏิกิริยาขึ้น การเติมไฮโดรเจน:

CH 2 =CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

ไฮโดรเจนลดอัลดีไฮด์เป็นแอลกอฮอล์:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 โอ้

ธรณีเคมีของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนเป็นวัสดุก่อสร้างหลักของจักรวาล มันเป็นองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุดและองค์ประกอบทั้งหมดเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์และนิวเคลียร์

ไฮโดรเจน H2 อิสระนั้นค่อนข้างหาได้ยากในก๊าซภาคพื้นดิน แต่ในรูปของน้ำ ไฮโดรเจน H2 อิสระเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการธรณีเคมี

ไฮโดรเจนสามารถมีอยู่ในแร่ธาตุในรูปของแอมโมเนียมไอออน ไฮดรอกซิลไอออน และน้ำผลึก

ในชั้นบรรยากาศ ไฮโดรเจนถูกผลิตอย่างต่อเนื่องอันเป็นผลมาจากการสลายตัวของน้ำโดยรังสีดวงอาทิตย์ มันอพยพไปสู่ชั้นบรรยากาศชั้นบนและหลบหนีไปในอวกาศ

แอปพลิเคชัน

• พลังงานไฮโดรเจน

อะตอมไฮโดรเจนใช้สำหรับการเชื่อมอะตอมไฮโดรเจน

ในอุตสาหกรรมอาหาร ไฮโดรเจนได้รับการจดทะเบียนเป็นวัตถุเจือปนอาหาร E949เช่นบรรจุก๊าซ

คุณสมบัติของการรักษา

เมื่อไฮโดรเจนผสมกับอากาศจะก่อให้เกิดส่วนผสมที่ระเบิดได้ซึ่งเรียกว่าก๊าซระเบิด ก๊าซนี้จะระเบิดได้มากที่สุดเมื่ออัตราส่วนปริมาตรของไฮโดรเจนและออกซิเจนคือ 2:1 หรือไฮโดรเจนกับอากาศอยู่ที่ประมาณ 2:5 เนื่องจากอากาศมีออกซิเจนประมาณ 21% ไฮโดรเจนก็เป็นอันตรายจากไฟไหม้เช่นกัน ไฮโดรเจนเหลวอาจทำให้เกิดอาการบวมเป็นน้ำเหลืองอย่างรุนแรงหากสัมผัสกับผิวหนัง

ความเข้มข้นของไฮโดรเจนและออกซิเจนในการระเบิดเกิดขึ้นตั้งแต่ 4% ถึง 96% โดยปริมาตร เมื่อผสมกับอากาศตั้งแต่ 4% ถึง 75(74)% โดยปริมาตร

การใช้ไฮโดรเจน

ในอุตสาหกรรมเคมี ไฮโดรเจนถูกใช้ในการผลิตแอมโมเนีย สบู่ และพลาสติก ในอุตสาหกรรมอาหาร มาการีนทำจากน้ำมันพืชเหลวโดยใช้ไฮโดรเจน ไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบามากและลอยอยู่ในอากาศเสมอ กาลครั้งหนึ่ง เรือบิน และลูกโป่งเต็มไปด้วยไฮโดรเจน แต่ในยุค 30 ศตวรรษที่ XX ภัยพิบัติร้ายแรงหลายครั้งเกิดขึ้นเมื่อเรือบินระเบิดและเผา ปัจจุบันเรือบินเต็มไปด้วยก๊าซฮีเลียม ไฮโดรเจนยังใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวดอีกด้วย สักวันหนึ่งไฮโดรเจนอาจถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์และรถบรรทุก เครื่องยนต์ไฮโดรเจนไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมและปล่อยเพียงไอน้ำเท่านั้น (แม้ว่าการผลิตไฮโดรเจนเองจะทำให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมบ้างก็ตาม) ดวงอาทิตย์ของเราส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฮโดรเจน ความร้อนและแสงจากแสงอาทิตย์เป็นผลมาจากการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์จากการหลอมรวมของนิวเคลียสของไฮโดรเจน

การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง (คุ้มค่า)

ลักษณะที่สำคัญที่สุดของสารที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงคือความร้อนจากการเผาไหม้ จากวิชาเคมีทั่วไปเป็นที่รู้กันว่าปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจนเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยความร้อน หากเราใช้ 1 โมล H 2 (2 กรัม) และ 0.5 โมล O 2 (16 กรัม) ภายใต้เงื่อนไขมาตรฐานและกระตุ้นปฏิกิริยาจากนั้นตามสมการ

H 2 + 0.5 O 2 = H 2 O

หลังจากเสร็จสิ้นปฏิกิริยา จะเกิด H 2 O 1 โมล (18 กรัม) โดยมีการปล่อยพลังงาน 285.8 กิโลจูล/โมล (สำหรับการเปรียบเทียบ: ความร้อนจากการเผาไหม้ของอะเซทิลีนคือ 1300 กิโลจูล/โมล โพรเพน - 2200 กิโลจูล/โมล) . ไฮโดรเจน 1 m³ หนัก 89.8 กรัม (44.9 โมล) ดังนั้น เพื่อผลิตไฮโดรเจน 1 ลูกบาศก์เมตร จะต้องใช้พลังงาน 12832.4 กิโลจูล เมื่อคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่า 1 kWh = 3600 kJ เราได้ไฟฟ้า 3.56 kWh เมื่อทราบอัตราค่าไฟฟ้า 1 kWh และค่าก๊าซ 1 m³เราสามารถสรุปได้ว่าแนะนำให้เปลี่ยนไปใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ตัวอย่างเช่น รถรุ่นทดลอง Honda FCX รุ่นที่ 3 ที่มีถังไฮโดรเจนขนาด 156 ลิตร (บรรจุไฮโดรเจน 3.12 กก. ภายใต้แรงดัน 25 MPa) เดินทางได้ 355 กม. ดังนั้นจาก 3.12 กก. H2 จะได้ 123.8 kWh ต่อ 100 กม. จะใช้พลังงาน 36.97 กิโลวัตต์ชั่วโมง เมื่อทราบค่าไฟฟ้าค่าก๊าซหรือน้ำมันเบนซินและปริมาณการใช้รถยนต์ต่อ 100 กม. การคำนวณผลกระทบทางเศรษฐกิจเชิงลบของการเปลี่ยนรถยนต์ไปใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงเป็นเรื่องง่าย สมมติว่า (รัสเซีย 2551) ไฟฟ้า 10 เซนต์ต่อ kWh นำไปสู่ความจริงที่ว่าไฮโดรเจน 1 m³นำไปสู่ราคา 35.6 เซนต์และเมื่อคำนึงถึงประสิทธิภาพการสลายตัวของน้ำ 40-45 เซนต์ซึ่งเป็นจำนวน kWh ที่เท่ากัน จากการเผาไหม้น้ำมันเบนซินมีค่าใช้จ่าย 12832.4 kJ/42000 kJ/0.7 กก./ลิตร*80 เซนต์/ลิตร=34 เซนต์ในราคาขายปลีก ในขณะที่ไฮโดรเจนเราคำนวณตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด โดยไม่คำนึงถึงการขนส่ง ค่าเสื่อมราคาของอุปกรณ์ ฯลฯ สำหรับมีเทนที่มี พลังงานการเผาไหม้ประมาณ 39 เมกะจูลต่อลูกบาศก์เมตร ผลลัพธ์ที่ได้จะลดลงสองถึงสี่เท่าเนื่องจากราคาที่แตกต่างกัน (1 ลบ.ม. สำหรับยูเครนมีราคา 179 ดอลลาร์ และสำหรับยุโรป 350 ดอลลาร์) นั่นคือมีเทนในปริมาณที่เท่ากันจะมีราคา 10-20 เซนต์

อย่างไรก็ตาม เราไม่ควรลืมว่าเมื่อเราเผาไฮโดรเจน เราจะได้น้ำสะอาดที่ใช้สกัดออกมา นั่นก็คือการที่เรามีพลังงานหมุนเวียน ผู้สะสมพลังงานที่ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ไม่เหมือนก๊าซหรือน้ำมันเบนซินซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลัก

Php ออนไลน์ 377 คำเตือน: ต้องการ (http://www..php): ไม่สามารถเปิดสตรีม: ไม่พบ wrapper ที่เหมาะสมใน /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php ออนไลน์ 377 Fatal ข้อผิดพลาด: need(): ไม่สามารถเปิดได้ "http://www..php" (include_path="..php ออนไลน์ 377

เคมีทั่วไปและอนินทรีย์

การบรรยายครั้งที่ 6. ไฮโดรเจนและออกซิเจน น้ำ. ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์.

ไฮโดรเจน

อะตอมไฮโดรเจนเป็นวัตถุทางเคมีที่ง่ายที่สุด พูดอย่างเคร่งครัด ไอออนของโปรตอนนั้นง่ายกว่าด้วยซ้ำ อธิบายครั้งแรกในปี ค.ศ. 1766 โดยคาเวนดิช ชื่อจากภาษากรีก “ยีนไฮโดร” – กำเนิดน้ำ

รัศมีของอะตอมไฮโดรเจนอยู่ที่ประมาณ 0.5 * 10-10 ม. และไอออน (โปรตอน) คือ 1.2 * 10-15 ม. หรือตั้งแต่ 17.00 น. ถึง 13.2 * 22.00-15.00 น. หรือตั้งแต่ 50 เมตร (แนวทแยงของ SCA ) สูงถึง 1 มม.

องค์ประกอบ 1 วินาทีถัดไป ลิเธียม เปลี่ยนแปลงเฉพาะเวลา 155 น. ถึง 180 น. สำหรับ Li+ ความแตกต่างในขนาดของอะตอมและแคตไอออน (ขนาด 5 ลำดับ) นั้นไม่เหมือนใคร

เนื่องจากโปรตอนมีขนาดเล็กจึงเกิดการแลกเปลี่ยนกัน พันธะไฮโดรเจนโดยหลักๆ จะอยู่ระหว่างอะตอมของออกซิเจน ไนโตรเจน และฟลูออรีน ความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนอยู่ที่ 10-40 กิโลจูล/โมล ซึ่งน้อยกว่าพลังงานแตกหักของพันธะธรรมดาส่วนใหญ่อย่างมาก (100-150 กิโลจูล/โมลในโมเลกุลอินทรีย์) แต่มากกว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 370 C (4 กิโลจูล/โมล) เป็นผลให้ในสิ่งมีชีวิต พันธะไฮโดรเจนจะถูกทำลายแบบย้อนกลับได้ เพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการสำคัญจะไหลเวียนไป

ไฮโดรเจนละลายที่ 14 K เดือดที่ 20.3 K (ความดัน 1 atm) ความหนาแน่นของไฮโดรเจนเหลวเพียง 71 g/l (เบากว่าน้ำ 14 เท่า)

อะตอมไฮโดรเจนที่ถูกกระตุ้นซึ่งมีการเปลี่ยนผ่านสูงถึง n 733 → 732 ที่มีความยาวคลื่น 18 ม. ถูกค้นพบในสื่อระหว่างดวงดาวที่ทำให้บริสุทธิ์ซึ่งสอดคล้องกับรัศมี Bohr (r = n2 * 0.5 * 10-10 ม.) ของลำดับ 0.1 มม. ( !).

องค์ประกอบที่พบมากที่สุดในอวกาศ (88.6% ของอะตอม, 11.3% ของอะตอมเป็นฮีเลียม และเพียง 0.1% เท่านั้นที่เป็นอะตอมขององค์ประกอบอื่นๆ ทั้งหมด)

4 H → 4 He + 26.7 MeV 1 eV = 96.48 กิโลจูล/โมล

เนื่องจากโปรตอนหมุนตัว 1/2 โมเลกุลไฮโดรเจนจึงมีสามรูปแบบ:

ออร์โธไฮโดรเจน o-H2 ที่มีการหมุนของนิวเคลียร์แบบขนาน, พาราไฮโดรเจน p-H2 ด้วย ตรงกันข้ามสปินและ n-H2 ปกติ - ส่วนผสมของออร์โธไฮโดรเจน 75% และพาราไฮโดรเจน 25% ในระหว่างการเปลี่ยนรูป o-H2 → p-H2, 1418 J/mol ถูกปล่อยออกมา

คุณสมบัติของออร์โธ-และพาราไฮโดรเจน

เนื่องจากมวลอะตอมของไฮโดรเจนมีค่าน้อยที่สุด ไอโซโทปของมัน - ดิวทีเรียม D (2 H) และทริเทียม T (3 H) จึงแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากโปรเทียม 1 H ในคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี ตัวอย่างเช่น การแทนที่ไฮโดรเจนตัวใดตัวหนึ่งในสารประกอบอินทรีย์ด้วยดิวทีเรียมมีผลที่เห็นได้ชัดเจนต่อสเปกตรัมการสั่น (อินฟราเรด) ของมัน ซึ่งทำให้สามารถกำหนดโครงสร้างของโมเลกุลเชิงซ้อนได้ การแทนที่ที่คล้ายกัน (“วิธีอะตอมที่มีป้ายกำกับ”) ยังใช้เพื่อสร้างกลไกของความซับซ้อนอีกด้วย

กระบวนการทางเคมีและชีวเคมี วิธีอะตอมที่ติดแท็กนั้นมีความละเอียดอ่อนเป็นพิเศษเมื่อใช้ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีแทนโปรเทียม (การสลายตัวของ β ครึ่งชีวิต 12.5 ปี)

คุณสมบัติของโปรเทียมและดิวทีเรียม

					ความหนาแน่น กรัม/ลิตร (20 เคลวิน)
วิธีการพื้นฐาน การผลิตไฮโดรเจนในอุตสาหกรรม – การแปลงมีเทน
หรือไฮเดรชั่นของถ่านหินที่อุณหภูมิ 800-11,000 C (ตัวเร่งปฏิกิริยา):
CH4 + H2 O = CO + 3 H2				สูงกว่า 10,000 องศาเซลเซียส
"ก๊าซน้ำ": C + H2 O = CO + H2
จากนั้นการแปลง CO: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C โคบอลต์ออกไซด์

รวม: C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2

แหล่งไฮโดรเจนอื่นๆ

ก๊าซเตาอบโค้ก: ไฮโดรเจนประมาณ 55%, มีเทน 25%, ไฮโดรคาร์บอนหนักมากถึง 2%, CO 4-6%, CO2 2%, ไนโตรเจน 10-12%

ไฮโดรเจนเป็นผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้:

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

ปล่อยไฮโดรเจนออกมามากถึง 370 ลิตรต่อส่วนผสมพลุไฟ 1 กิโลกรัม

ไฮโดรเจนในรูปแบบของสารง่าย ๆ ใช้สำหรับการผลิตแอมโมเนียและไฮโดรจิเนชัน (การแข็งตัว) ของไขมันพืชเพื่อลดออกไซด์ของโลหะบางชนิด (โมลิบดีนัม, ทังสเตน) เพื่อการผลิตไฮไดรด์ (LiH, CaH2,

LiAlH4 ).

เอนทัลปีของปฏิกิริยา: H. + H. = H2 คือ -436 kJ/mol ดังนั้นอะตอมไฮโดรเจนจึงถูกใช้เพื่อสร้าง "เปลวไฟ" ("หัวเผาแลงมัวร์") ที่ลดอุณหภูมิสูง เจ็ตของไฮโดรเจนในส่วนโค้งไฟฟ้าจะถูกทำให้เป็นอะตอมที่ 35,000 C 30% จากนั้นเมื่ออะตอมรวมตัวกันใหม่ก็เป็นไปได้ที่จะมีอุณหภูมิถึง 50,000 C

ไฮโดรเจนเหลวถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงในจรวด (ดูออกซิเจน) เชื้อเพลิงที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสำหรับการขนส่งภาคพื้นดิน การทดลองกำลังดำเนินการเกี่ยวกับการใช้แบตเตอรี่ไฮโดรเจนเมทัลไฮไดรด์ ตัวอย่างเช่น โลหะผสม LaNi5 สามารถดูดซับไฮโดรเจนได้มากกว่า 1.5-2 เท่าเมื่อเทียบกับที่มีอยู่ในปริมาตรเดียวกัน (เท่ากับปริมาตรของโลหะผสม) ของไฮโดรเจนเหลว

ออกซิเจน

ตามข้อมูลที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในปัจจุบัน ออกซิเจนถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2317 โดยเจ. พรีสต์ลีย์ และเป็นอิสระโดยเค. ชีเลอ ประวัติความเป็นมาของการค้นพบออกซิเจนเป็นตัวอย่างที่ดีของอิทธิพลของกระบวนทัศน์ที่มีต่อการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์ (ดูภาคผนวก 1)

เห็นได้ชัดว่ามีการค้นพบออกซิเจนเร็วกว่าวันที่เป็นทางการมาก ในปี 1620 ใครๆ ก็สามารถนั่งเรือดำน้ำในแม่น้ำเทมส์ (ในแม่น้ำเทมส์) ซึ่งออกแบบโดย Cornelius van Drebbel เรือเคลื่อนตัวใต้น้ำได้ด้วยความพยายามของฝีพายหลายสิบคน ตามที่ผู้เห็นเหตุการณ์หลายคนระบุว่าผู้ประดิษฐ์เรือดำน้ำประสบความสำเร็จในการแก้ปัญหาการหายใจด้วยการ "ทำให้อากาศสดชื่น" ในทางเคมี Robert Boyle เขียนในปี 1661: “... นอกจากโครงสร้างทางกลของเรือแล้ว นักประดิษฐ์ยังมีสารละลายเคมี (สุรา) ซึ่งเขา

ถือว่าเป็นความลับหลักของการดำน้ำ และครั้นรู้อยู่บ้างว่าอากาศส่วนหนึ่งที่เหมาะกับการหายใจได้หมดลงแล้ว และทำให้คนในเรือหายใจลำบากขึ้น พระองค์ก็ทรงสามารถเปิดจุกภาชนะที่เต็มไปด้วยสารละลายนี้ขึ้นมาเติมใหม่ได้อย่างรวดเร็ว อากาศที่มีส่วนสำคัญมากจนสามารถหายใจได้เป็นเวลานานพอสมควรอีกครั้ง”

คนที่มีสุขภาพดีในสภาวะสงบจะสูบอากาศเข้าปอดประมาณ 7,200 ลิตรต่อวัน โดยรับออกซิเจน 720 ลิตรที่ไม่สามารถเพิกถอนได้ ในห้องปิดที่มีปริมาตร 6 ลบ.ม. บุคคลสามารถอยู่รอดได้โดยไม่มีการระบายอากาศนานถึง 12 ชั่วโมง และเมื่อต้องออกกำลังกายเป็นเวลา 3-4 ชั่วโมง สาเหตุหลักของการหายใจลำบากไม่ใช่การขาดออกซิเจนแต่เป็น การสะสมคาร์บอนไดออกไซด์จาก 0.3 ถึง 2.5%

เป็นเวลานานแล้วที่วิธีหลักในการผลิตออกซิเจนคือวัฏจักร "แบเรียม" (การผลิตออกซิเจนโดยใช้วิธีบรีน):

BaSO4 -t- → เบ้า + SO3;

5,000 องศาเซลเซียส ->

บาโอ + 0.5 O2 ====== บาโอ2<- 7000 C

วิธีแก้ปัญหาลับของ Drebbel อาจเป็นสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

การรับออกซิเจนโดยการเผาไหม้ส่วนผสมไพโรไลซิส: NaClO3 = NaCl + 1.5 O2 + 50.5 kJ

ส่วนผสมประกอบด้วย NaClO3 สูงถึง 80%, ผงเหล็กสูงถึง 10%, แบเรียมเปอร์ออกไซด์ 4% และใยแก้ว

โมเลกุลของออกซิเจนเป็นแบบพาราแมกเนติก (ในทางปฏิบัติเป็นแบบไบราดิคอล) ดังนั้นกิจกรรมของมันจึงสูง สารอินทรีย์ในอากาศจะถูกออกซิไดซ์ผ่านขั้นตอนการเกิดเปอร์ออกไซด์

ออกซิเจนละลายที่ 54.8 K และเดือดที่ 90.2 K

การปรับเปลี่ยนองค์ประกอบออกซิเจนแบบ allotropic คือสารโอโซน O3 การปกป้องโอโซนทางชีวภาพของโลกมีความสำคัญอย่างยิ่ง ที่ระดับความสูง 20-25 กม. จะเกิดความสมดุล:

ยูวี<280 нм		ยูวี 280-320 นาโนเมตร
O2 ----> 2 โอ*	O* + O2 + M --> O3	O3-------	> O2 + โอ
	(ม – N2, อาร์)

ในปี 1974 พบว่าอะตอมคลอรีนซึ่งก่อตัวจากฟรีออนที่ระดับความสูงมากกว่า 25 กม. เร่งปฏิกิริยาการสลายตัวของโอโซน ราวกับเข้ามาแทนที่รังสีอัลตราไวโอเลต "โอโซน" รังสียูวีนี้สามารถทำให้เกิดมะเร็งผิวหนังได้ (มากถึง 600,000 รายต่อปีในสหรัฐอเมริกา) การห้ามใช้ฟรีออนในกระป๋องสเปรย์มีผลบังคับใช้ในสหรัฐอเมริกามาตั้งแต่ปี 1978

ตั้งแต่ปี 1990 รายการสารต้องห้าม (ใน 92 ประเทศ) ได้รวม CH3 CCl3, CCl4 และไฮโดรคาร์บอนคลอโรโบรมิเนต - การผลิตจะยุติลงภายในปี 2000

การเผาไหม้ของไฮโดรเจนในออกซิเจน

ปฏิกิริยานี้ซับซ้อนมาก (แผนการในการบรรยายที่ 3) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการศึกษาเป็นเวลานานก่อนที่จะนำไปใช้จริง

เมื่อวันที่ 21 กรกฎาคม พ.ศ. 2512 เอ็น. อาร์มสตรอง มนุษย์โลกคนแรกได้เดินบนดวงจันทร์ เครื่องยิงจรวด Saturn 5 (ออกแบบโดย Wernher von Braun) ประกอบด้วยสามขั้นตอน อันแรกประกอบด้วยน้ำมันก๊าดและออกซิเจน ส่วนอันที่สองและสามประกอบด้วยไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจน ปริมาณ O2 และ H2 เหลวรวม 468 ตัน มีการเปิดตัวที่ประสบความสำเร็จ 13 ครั้ง

ตั้งแต่เดือนเมษายน พ.ศ. 2524 กระสวยอวกาศได้บินในสหรัฐอเมริกา: O2 และ H2 เหลว 713 ตัน รวมถึงเครื่องเร่งเชื้อเพลิงแข็งสองตัว ตัวละ 590 ตัน (มวลรวมของเชื้อเพลิงแข็ง 987 ตัน) การปีน 40 กม. แรกสู่ TTU จาก 40 ถึง 113 กม. เครื่องยนต์ทำงานโดยใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจน

15 พฤษภาคม พ.ศ. 2530 การเปิดตัว "Energia" ครั้งแรก 15 พฤศจิกายน พ.ศ. 2531 เที่ยวบินแรกและครั้งเดียวของ "Buran" น้ำหนักเปิดตัว 2,400 ตัน น้ำหนักเชื้อเพลิง (น้ำมันก๊าดใน

ช่องข้างถัง O2 และ H2 ของเหลว) 2,000 ตัน กำลังเครื่องยนต์ 125,000 MW น้ำหนักบรรทุก 105 ตัน

การเผาไหม้ไม่ได้ถูกควบคุมและประสบความสำเร็จเสมอไป

ในปี พ.ศ. 2479 เรือเหาะไฮโดรเจนที่ใหญ่ที่สุดในโลก LZ-129 Hindenburg ได้ถูกสร้างขึ้น ปริมาตร 200,000 ลบ.ม. ยาวประมาณ 250 ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 41.2 ม. ความเร็ว 135 กม./ชม. ด้วยเครื่องยนต์ 4 เครื่อง 1100 แรงม้า น้ำหนักบรรทุก 88 ตัน เรือเหาะทำการบิน 37 เที่ยวข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกและบรรทุกผู้โดยสารมากกว่า 3,000 คน

เมื่อวันที่ 6 พฤษภาคม พ.ศ. 2480 ขณะเทียบท่าที่สหรัฐอเมริกา เรือเหาะเกิดระเบิดและไหม้ สาเหตุหนึ่งที่เป็นไปได้คือการก่อวินาศกรรม

เมื่อวันที่ 28 มกราคม พ.ศ. 2529 ในวินาทีที่ 74 ของการบิน ผู้ท้าชิงได้ระเบิดพร้อมกับนักบินอวกาศ 7 คน ซึ่งเป็นการบินครั้งที่ 25 ของระบบกระสวยอวกาศ เหตุผลก็คือข้อบกพร่องในตัวเร่งเชื้อเพลิงแข็ง

สาธิต:

การระเบิดของก๊าซระเบิด (ส่วนผสมของไฮโดรเจนและออกซิเจน)

เซลล์เชื้อเพลิง

ความแตกต่างทางเทคนิคที่สำคัญของปฏิกิริยาการเผาไหม้นี้คือการแบ่งกระบวนการออกเป็นสองส่วน:

อิเล็กโทรออกซิเดชันของไฮโดรเจน (แอโนด): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

การลดออกซิเจนด้วยไฟฟ้า (แคโทด): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

ระบบที่ “การเผาไหม้” ดังกล่าวเกิดขึ้นก็คือ เซลล์เชื้อเพลิง. ประสิทธิภาพนั้นสูงกว่าโรงไฟฟ้าพลังความร้อนมากเนื่องจากไม่มี

ขั้นตอนพิเศษของการสร้างความร้อน ประสิทธิภาพสูงสุด = ∆ G/∆ H; สำหรับการเผาไหม้ของไฮโดรเจนจะเป็น 94%

ผลกระทบนี้เป็นที่รู้จักมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2382 แต่มีการใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรก

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 20 ในอวกาศ ("ราศีเมถุน", "อพอลโล", "รถรับส่ง" - สหรัฐอเมริกา, "บูราน" - สหภาพโซเวียต)

อนาคตสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง (17)

ตัวแทนของ Ballard Power Systems กล่าวในการประชุมทางวิทยาศาสตร์ในกรุงวอชิงตัน เน้นย้ำว่าเครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงจะสามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์เมื่อมีคุณสมบัติตรงตามเกณฑ์หลัก 4 ประการ ได้แก่ การลดต้นทุนของพลังงานที่สร้างขึ้น เพิ่มความทนทาน ลดขนาดของการติดตั้ง และ ความสามารถในการออกสตาร์ทอย่างรวดเร็วในสภาพอากาศหนาวเย็น . ต้นทุนพลังงานหนึ่งกิโลวัตต์ที่เกิดจากการติดตั้งเซลล์เชื้อเพลิงควรลดลงเหลือ 30 ดอลลาร์ เพื่อการเปรียบเทียบ ในปี 2547 ตัวเลขเดียวกันคือ 103 ดอลลาร์ และในปี 2548 คาดว่าจะสูงถึง 80 ดอลลาร์ เพื่อให้บรรลุราคานี้จำเป็นต้องผลิตเครื่องยนต์อย่างน้อย 500,000 เครื่องยนต์ต่อปี นักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรประมัดระวังในการคาดการณ์มากขึ้นและเชื่อว่าการใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในเชิงพาณิชย์ในอุตสาหกรรมยานยนต์จะเริ่มไม่ช้ากว่าปี 2020

วัตถุประสงค์ของบทเรียนในบทเรียนนี้ คุณจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีที่สำคัญที่สุดสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลก เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจน เรียนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีของพวกมัน ตลอดจนคุณสมบัติทางกายภาพของสารเชิงเดี่ยวที่พวกมันก่อตัว เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับบทบาทของออกซิเจนและไฮโดรเจน ในธรรมชาติและชีวิตบุคคล

ไฮโดรเจน– องค์ประกอบที่พบมากที่สุดในจักรวาล ออกซิเจน– องค์ประกอบที่พบมากที่สุดในโลก พวกมันรวมตัวกันก่อตัวเป็นน้ำ ซึ่งเป็นสสารที่ประกอบขึ้นเป็นมวลมากกว่าครึ่งหนึ่งของร่างกายมนุษย์ ออกซิเจนเป็นก๊าซที่เราต้องการในการหายใจ และหากไม่มีน้ำ เราก็ไม่สามารถมีชีวิตอยู่ได้สองสามวัน ดังนั้น ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเราสามารถถือว่าออกซิเจนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่สำคัญที่สุดที่จำเป็นสำหรับชีวิต

โครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจนและออกซิเจน

ดังนั้นไฮโดรเจนจึงแสดงคุณสมบัติที่ไม่ใช่โลหะ ในธรรมชาติ ไฮโดรเจนพบอยู่ในรูปของไอโซโทป 3 ชนิด ได้แก่ โปรเทียม ดิวทีเรียม และทริเทียม ไอโซโทปของไฮโดรเจนมีความแตกต่างกันมากในคุณสมบัติทางกายภาพ

หากคุณจำไม่ได้หรือไม่รู้ว่าไอโซโทปคืออะไร ให้ลองใช้วัสดุจากแหล่งข้อมูลทางการศึกษาแบบอิเล็กทรอนิกส์ “ไอโซโทปเป็นอะตอมที่หลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีชนิดเดียว” ในนั้นคุณจะได้เรียนรู้ว่าไอโซโทปของธาตุหนึ่งแตกต่างกันอย่างไร การมีอยู่ของไอโซโทปหลายธาตุของธาตุหนึ่งนำไปสู่อะไร และทำความคุ้นเคยกับไอโซโทปของธาตุหลายชนิดด้วย

ดังนั้นสถานะออกซิเดชันที่เป็นไปได้ของออกซิเจนจึงถูกจำกัดไว้ที่ค่าตั้งแต่ –2 ถึง +2 หากออกซิเจนรับอิเล็กตรอนสองตัว (กลายเป็นประจุลบ) หรือสร้างพันธะโควาเลนต์สองตัวที่มีองค์ประกอบที่มีอิเลคโตรเนกาติตีน้อยกว่า ออกซิเจนจะเข้าสู่สถานะออกซิเดชัน –2 หากออกซิเจนสร้างพันธะหนึ่งกับออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่งและพันธะที่สองกับอะตอมที่มีองค์ประกอบอิเล็กโทรเนกาติตีน้อยกว่า พันธะนั้นจะเข้าสู่สถานะออกซิเดชัน –1 ด้วยการสร้างพันธะโควาเลนต์สองพันธะกับฟลูออรีน (องค์ประกอบเดียวที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวีตี้สูงกว่า) ออกซิเจนจะเข้าสู่สถานะออกซิเดชัน +2 สร้างพันธะหนึ่งกับอะตอมออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่ง และพันธะที่สองสร้างพันธะกับอะตอมฟลูออรีน – +1 สุดท้ายนี้ หากออกซิเจนสร้างพันธะหนึ่งโดยมีอะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติตีน้อยกว่าและเกิดพันธะที่สองกับฟลูออรีน พันธะนั้นจะอยู่ในสถานะออกซิเดชันเป็น 0

คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจนและออกซิเจน การจัดสรรออกซิเจน

ไฮโดรเจน– ก๊าซไม่มีสีไม่มีรสหรือกลิ่น เบามาก (เบากว่าอากาศ 14.5 เท่า) อุณหภูมิการทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นของเหลว – -252.8 °C – เกือบจะต่ำที่สุดในบรรดาก๊าซทั้งหมด (รองจากฮีเลียมเท่านั้น) ไฮโดรเจนเหลวและของแข็งเป็นสารที่เบามากและไม่มีสี

ออกซิเจน- เป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีรส และไม่มีกลิ่น หนักกว่าอากาศเล็กน้อย ที่อุณหภูมิ -182.9 °C จะกลายเป็นของเหลวสีน้ำเงินหนัก ที่อุณหภูมิ -218 °C จะแข็งตัวตามการก่อตัวของผลึกสีน้ำเงิน โมเลกุลของออกซิเจนเป็นแบบพาราแมกเนติก ซึ่งหมายความว่าออกซิเจนถูกดึงดูดเข้ากับแม่เหล็ก ออกซิเจนละลายในน้ำได้ไม่ดี

ต่างจากไฮโดรเจนซึ่งก่อตัวเป็นโมเลกุลเพียงชนิดเดียว ออกซิเจนแสดงการแบ่งส่วนและสร้างโมเลกุลสองประเภท กล่าวคือ ธาตุออกซิเจนก่อตัวเป็นสารง่าย ๆ สองชนิด: ออกซิเจนและโอโซน

สมบัติทางเคมีและการเตรียมสารเชิงเดี่ยว

ไฮโดรเจน

พันธะในโมเลกุลไฮโดรเจนนั้นเป็นพันธะเดี่ยว แต่เป็นหนึ่งในพันธะเดี่ยวที่แข็งแกร่งที่สุดในธรรมชาติ และการจะสลายมันจึงจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมาก ด้วยเหตุนี้ ไฮโดรเจนจึงไม่ทำงานมากที่อุณหภูมิห้อง แต่ด้วย อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (หรือเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา) ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับสารที่เรียบง่ายและซับซ้อนหลายชนิดได้อย่างง่ายดาย

จากมุมมองทางเคมี ไฮโดรเจนถือเป็นอโลหะโดยทั่วไป กล่าวคือ มันสามารถโต้ตอบกับโลหะแอคทีฟเพื่อสร้างไฮไดรด์ได้ โดยจะมีสถานะออกซิเดชันที่ –1 สำหรับโลหะบางชนิด (ลิเธียม แคลเซียม) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นแม้ที่อุณหภูมิห้อง แต่ค่อนข้างช้า ดังนั้นการให้ความร้อนจึงถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์ไฮไดรด์:

,

.

การก่อตัวของไฮไดรด์โดยปฏิกิริยาโดยตรงของสารธรรมดาเกิดขึ้นได้เฉพาะกับโลหะที่ใช้งานอยู่เท่านั้น อะลูมิเนียมไม่ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนโดยตรงอีกต่อไป ไฮไดรด์ของมันจะได้มาโดยปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยน

ไฮโดรเจนยังทำปฏิกิริยากับอโลหะเมื่อถูกความร้อนเท่านั้น ข้อยกเว้นคือฮาโลเจนคลอรีนและโบรมีน ปฏิกิริยาที่สามารถถูกกระตุ้นโดยแสง:

.

ปฏิกิริยากับฟลูออรีนไม่ต้องการความร้อนเช่นกัน แต่จะระเบิดได้แม้จะเย็นจัดและในความมืดสนิทก็ตาม

ปฏิกิริยากับออกซิเจนเกิดขึ้นตามกลไกลูกโซ่แยกดังนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและในส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจนในอัตราส่วน 1:2 ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นพร้อมกับการระเบิด (ส่วนผสมดังกล่าวเรียกว่า "ก๊าซระเบิด" ):

.

ปฏิกิริยากับซัลเฟอร์ดำเนินไปอย่างสงบมากขึ้นโดยแทบไม่เกิดความร้อนเลย:

.

ปฏิกิริยากับไนโตรเจนและไอโอดีนสามารถย้อนกลับได้:

,

.

สถานการณ์นี้ทำให้ยากต่อการได้รับแอมโมเนียในอุตสาหกรรม: กระบวนการนี้ต้องใช้แรงกดดันที่เพิ่มขึ้นเพื่อผสมสมดุลไปสู่การก่อตัวของแอมโมเนีย ไฮโดรเจนไอโอไดด์ไม่ได้มาจากการสังเคราะห์โดยตรงเนื่องจากมีวิธีการสังเคราะห์ที่สะดวกกว่าหลายวิธี

ไฮโดรเจนไม่ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับอโลหะที่มีฤทธิ์ต่ำ () แม้ว่าจะทราบสารประกอบของมันก็ตาม

ในการทำปฏิกิริยากับสารเชิงซ้อน ไฮโดรเจนโดยส่วนใหญ่จะทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ ในสารละลาย ไฮโดรเจนสามารถลดโลหะที่มีฤทธิ์ต่ำ (อยู่หลังไฮโดรเจนในชุดแรงดันไฟฟ้า) ออกจากเกลือของพวกมัน:

เมื่อถูกความร้อน ไฮโดรเจนสามารถลดโลหะจำนวนมากจากออกไซด์ของพวกมันได้ ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งโลหะมีการใช้งานมากเท่าไร การคืนสภาพก็จะยากขึ้นเท่านั้น และยิ่งต้องใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้นตามที่ต้องการ:

.

โลหะที่มีความว่องไวมากกว่าสังกะสีแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะรีดิวซ์ด้วยไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการโดยทำปฏิกิริยากับโลหะกับกรดแก่ ที่ใช้กันมากที่สุดคือสังกะสีและกรดไฮโดรคลอริก:

ที่ใช้กันน้อยกว่าคืออิเล็กโทรไลซิสของน้ำเมื่อมีอิเล็กโทรไลต์เข้มข้น:

ในอุตสาหกรรม ไฮโดรเจนจะได้รับเป็นผลพลอยได้เมื่อผลิตโซเดียมไฮดรอกไซด์โดยอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายโซเดียมคลอไรด์:

นอกจากนี้ยังได้ไฮโดรเจนจากการกลั่นน้ำมันอีกด้วย

การผลิตไฮโดรเจนด้วยโฟโตไลซิสของน้ำเป็นหนึ่งในวิธีที่มีแนวโน้มมากที่สุดในอนาคต แต่ในขณะนี้ การประยุกต์ใช้วิธีนี้ทางอุตสาหกรรมเป็นเรื่องยาก

ทำงานกับวัสดุของแหล่งข้อมูลการศึกษาอิเล็กทรอนิกส์ งานห้องปฏิบัติการ "การผลิตและคุณสมบัติของไฮโดรเจน" และงานห้องปฏิบัติการ "การลดคุณสมบัติของไฮโดรเจน" ศึกษาหลักการทำงานของอุปกรณ์ Kipp และอุปกรณ์ Kiryushkin ลองนึกถึงว่าในกรณีใดจะสะดวกกว่าในการใช้อุปกรณ์ Kipp และสะดวกกว่าในการใช้อุปกรณ์ Kiryushkin ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติอะไรบ้างในปฏิกิริยา?

ออกซิเจน

พันธะในโมเลกุลออกซิเจนเป็นสองเท่าและแข็งแรงมาก ดังนั้นออกซิเจนจึงค่อนข้างไม่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง แต่เมื่อถูกความร้อนจะเริ่มแสดงคุณสมบัติออกซิไดซ์อย่างแรง

ออกซิเจนทำปฏิกิริยาโดยไม่ให้ความร้อนกับโลหะแอคทีฟ (อัลคาไล อัลคาไลน์เอิร์ธ และแลนทาไนด์บางชนิด):

เมื่อถูกความร้อน ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับโลหะส่วนใหญ่จนเกิดเป็นออกไซด์:

,

,

.

โลหะเงินและโลหะที่มีฤทธิ์น้อยจะไม่ถูกออกซิไดซ์โดยออกซิเจน

ออกซิเจนยังทำปฏิกิริยากับอโลหะส่วนใหญ่เพื่อเกิดออกไซด์:

,

,

.

ปฏิกิริยากับไนโตรเจนจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมากเท่านั้น ประมาณ 2,000 °C

ออกซิเจนไม่ทำปฏิกิริยากับคลอรีน โบรมีน และไอโอดีน แม้ว่าออกไซด์จำนวนมากสามารถได้รับทางอ้อมก็ตาม

ปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนกับฟลูออรีนสามารถทำได้โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านส่วนผสมของก๊าซ:

.

ออกซิเจน (II) ฟลูออไรด์เป็นสารประกอบที่ไม่เสถียร สลายตัวได้ง่ายและเป็นสารออกซิไดซ์ที่แรงมาก

ในสารละลาย ออกซิเจนเป็นสารออกซิไดซ์ที่แรงแม้ว่าจะช้าก็ตาม ตามกฎแล้ว ออกซิเจนส่งเสริมการเปลี่ยนของโลหะไปสู่สถานะออกซิเดชันที่สูงขึ้น:

การมีอยู่ของออกซิเจนมักจะทำให้โลหะที่อยู่ด้านหลังไฮโดรเจนในชุดแรงดันไฟฟ้าละลายในกรด:

เมื่อถูกความร้อน ออกซิเจนสามารถออกซิไดซ์ออกไซด์ของโลหะส่วนล่างได้:

.

ออกซิเจนในอุตสาหกรรมไม่ได้มาจากวิธีทางเคมี แต่ได้มาจากอากาศโดยการกลั่น

ในห้องปฏิบัติการ พวกเขาใช้ปฏิกิริยาการสลายตัวของสารประกอบที่อุดมด้วยออกซิเจน - ไนเตรต, คลอเรต, เปอร์แมงกาเนตเมื่อถูกความร้อน:

คุณยังสามารถรับออกซิเจนได้จากการสลายตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์:

นอกจากนี้ ปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสของน้ำข้างต้นสามารถนำมาใช้ในการผลิตออกซิเจนได้

ทำงานกับวัสดุของทรัพยากรการศึกษาอิเล็กทรอนิกส์ งานห้องปฏิบัติการ "การผลิตออกซิเจนและคุณสมบัติของมัน"

วิธีการรวบรวมออกซิเจนที่ใช้ในงานห้องปฏิบัติการชื่ออะไร มีวิธีอื่นใดในการรวบรวมก๊าซและวิธีใดที่เหมาะกับการรวบรวมออกซิเจน?

ภารกิจที่ 1 ชมคลิปวิดีโอ “การสลายตัวของโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตเมื่อถูกความร้อน”

ตอบคำถาม:

1. 1. ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาของแข็งใดละลายในน้ำได้
   2. สารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตมีสีอะไร?
   3. สารละลายโพแทสเซียมแมงกาเนตมีสีอะไร

เขียนสมการของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น ปรับสมดุลโดยใช้วิธีสมดุลทางอิเล็กทรอนิกส์

พูดคุยเรื่องงานกับครูของคุณในหรือในห้องวิดีโอ

โอโซน.

โมเลกุลของโอโซนเป็นแบบไตรอะตอมและพันธะในนั้นมีความแข็งแรงน้อยกว่าในโมเลกุลออกซิเจน ซึ่งนำไปสู่กิจกรรมทางเคมีของโอโซนมากขึ้น: โอโซนออกซิไดซ์สารหลายชนิดได้อย่างง่ายดายในสารละลายหรือในรูปแบบแห้งโดยไม่ต้องให้ความร้อน:

โอโซนสามารถออกซิไดซ์ไนโตรเจน (IV) ออกไซด์เป็นไนโตรเจน (V) ออกไซด์ได้อย่างง่ายดาย และซัลเฟอร์ (IV) ออกไซด์เป็นซัลเฟอร์ (VI) ออกไซด์โดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา:

โอโซนจะค่อยๆสลายตัวเป็นออกซิเจน:

ในการผลิตโอโซนมีการใช้อุปกรณ์พิเศษ - โอโซนซึ่งการปล่อยแสงจะถูกส่งผ่านออกซิเจน

ในห้องปฏิบัติการ เพื่อให้ได้โอโซนในปริมาณเล็กน้อย บางครั้งจะใช้ปฏิกิริยาการสลายตัวของสารประกอบเปอร์รอกโซและออกไซด์ที่สูงขึ้นเมื่อได้รับความร้อน:

ทำงานกับวัสดุของทรัพยากรการศึกษาอิเล็กทรอนิกส์ งานห้องปฏิบัติการ “การผลิตโอโซนและการศึกษาคุณสมบัติของโอโซน”

อธิบายว่าเหตุใดสารละลายสีครามจึงเปลี่ยนสี เขียนสมการของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเมื่อสารละลายของลีดไนเตรตและโซเดียมซัลไฟด์ผสมกัน และเมื่ออากาศที่มีโอโซนผ่านสารแขวนลอยที่เกิดขึ้น เขียนสมการไอออนิกสำหรับปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนไอออน สำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ ให้สร้างสมดุลของอิเล็กตรอน

พูดคุยเรื่องงานกับครูของคุณในหรือในห้องวิดีโอ

คุณสมบัติทางเคมีของน้ำ

เพื่อทำความคุ้นเคยกับคุณสมบัติทางกายภาพของน้ำและความสำคัญของน้ำให้ดีขึ้น ให้ทำงานกับแหล่งข้อมูลทางการศึกษาแบบอิเล็กทรอนิกส์ "คุณสมบัติผิดปกติของน้ำ" และ "น้ำเป็นของเหลวที่สำคัญที่สุดบนโลก"

น้ำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ที่จริงแล้ว สิ่งมีชีวิตจำนวนมากประกอบด้วยน้ำมากกว่าครึ่งหนึ่ง น้ำเป็นหนึ่งในตัวทำละลายที่เป็นสากลมากที่สุด (ที่อุณหภูมิและความดันสูง ความสามารถในการเป็นตัวทำละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก) จากมุมมองทางเคมี น้ำคือไฮโดรเจนออกไซด์ และในสารละลายที่เป็นน้ำ น้ำจะแยกตัว (แม้ว่าจะเพียงเล็กน้อย) ออกเป็นไอออนบวกของไฮโดรเจนและแอนไอออนของไฮดรอกไซด์:

.

น้ำทำปฏิกิริยากับโลหะหลายชนิด น้ำทำปฏิกิริยากับสารออกฤทธิ์ (อัลคาไลน์, อัลคาไลน์เอิร์ท และแลนทาไนด์บางชนิด) โดยไม่ต้องให้ความร้อน:

การโต้ตอบกับสิ่งที่ออกฤทธิ์น้อยกว่าเกิดขึ้นเมื่อถูกความร้อน

• การกำหนด - H (ไฮโดรเจน);
• ชื่อละติน - ไฮโดรเจน;
• ระยะเวลา - ฉัน;
• กลุ่ม - 1 (Ia);
• มวลอะตอม - 1.00794;
• เลขอะตอม - 1;
• รัศมีอะตอม = 53 น.;
• รัศมีโควาเลนต์ = 15.00 น.
• การกระจายอิเล็กตรอน - 1 วินาที 1;
• อุณหภูมิหลอมละลาย = -259.14°C;
• จุดเดือด = -252.87°C;
• อิเลคโตรเนกาติวีตี้ (อ้างอิงจาก Pauling/อ้างอิงจาก Alpred และ Rochow) = 2.02/-;
• สถานะออกซิเดชัน: +1; 0; -1;
• ความหนาแน่น (หมายเลข) = 0.0000899 กรัม/ซม. 3 ;
• ปริมาตรฟันกราม = 14.1 ซม. 3 /โมล

สารประกอบไบนารี่ของไฮโดรเจนกับออกซิเจน:

ไฮโดรเจน (“การให้กำเนิดน้ำ”) ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ G. Cavendish ในปี 1766 มันเป็นองค์ประกอบที่เรียบง่ายที่สุดในธรรมชาติ - อะตอมไฮโดรเจนมีนิวเคลียสและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ซึ่งอาจเป็นสาเหตุว่าทำไมไฮโดรเจนจึงเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาล (ซึ่งมีมวลมากกว่าครึ่งหนึ่งของมวลดาวฤกษ์ส่วนใหญ่)

เกี่ยวกับไฮโดรเจน เราสามารถพูดได้ว่า “แกนม้วนเล็กแต่มีราคาแพง” แม้จะมี "ความเรียบง่าย" ไฮโดรเจนก็ให้พลังงานแก่สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลก - ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์อย่างต่อเนื่องเกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ในระหว่างที่อะตอมฮีเลียมหนึ่งอะตอมถูกสร้างขึ้นจากอะตอมไฮโดรเจนสี่อะตอม กระบวนการนี้มาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม ดูนิวเคลียร์ฟิวชัน)

ในเปลือกโลก สัดส่วนมวลของไฮโดรเจนมีเพียง 0.15% ในขณะเดียวกัน สารเคมีทั้งหมดที่รู้จักบนโลกส่วนใหญ่ (95%) มีอะตอมไฮโดรเจนตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไป

ในสารประกอบที่มีอโลหะ (HCl, H 2 O, CH 4 ... ) ไฮโดรเจนจะปล่อยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวให้กับองค์ประกอบที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีมากขึ้น โดยแสดงสถานะออกซิเดชันที่ +1 (บ่อยกว่า) ทำให้เกิดพันธะโควาเลนต์เท่านั้น (ดูโควาเลนต์ พันธบัตร)

ในสารประกอบที่มีโลหะ (NaH, CaH 2 ...) ในทางกลับกัน ไฮโดรเจนจะรับอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งเข้าไปใน s-orbital ของมันเท่านั้น ดังนั้นจึงพยายามทำให้ชั้นอิเล็กทรอนิกส์ของมันสมบูรณ์ โดยแสดงสถานะออกซิเดชันที่ -1 (บ่อยน้อยกว่า) มักจะสร้างพันธะไอออนิก (ดูพันธะไอออนิก) เนื่องจากความแตกต่างในอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของอะตอมไฮโดรเจนและอะตอมของโลหะอาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่

เอช 2

ในสถานะก๊าซ ไฮโดรเจนมีอยู่ในรูปของโมเลกุลไดอะตอมมิก ก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์แบบไม่มีขั้ว

โมเลกุลไฮโดรเจนมี:

• ความคล่องตัวที่ดี
• ความแข็งแกร่ง;
• โพลาไรซ์ต่ำ
• ขนาดและน้ำหนักที่เล็ก

คุณสมบัติของก๊าซไฮโดรเจน:

• ก๊าซที่เบาที่สุดในธรรมชาติ ไม่มีสี และไม่มีกลิ่น
• ละลายได้ไม่ดีในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์
• ละลายในปริมาณเล็กน้อยในของเหลวและโลหะแข็ง (โดยเฉพาะแพลตตินัมและแพลเลเดียม)
• ยากที่จะทำให้เป็นของเหลว (เนื่องจากความสามารถในการโพลาไรซ์ต่ำ)
• มีค่าการนำความร้อนสูงสุดในบรรดาก๊าซที่รู้จักทั้งหมด
• เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับอโลหะหลายชนิดโดยแสดงคุณสมบัติของตัวรีดิวซ์
• ที่อุณหภูมิห้องจะทำปฏิกิริยากับฟลูออรีน (เกิดการระเบิด): H 2 + F 2 = 2HF;
• ทำปฏิกิริยากับโลหะเพื่อสร้างไฮไดรด์โดยแสดงคุณสมบัติออกซิไดซ์: H 2 + Ca = CaH 2 ;

ในสารประกอบ ไฮโดรเจนแสดงคุณสมบัติรีดิวซ์ได้แรงกว่าคุณสมบัติออกซิไดซ์มาก ไฮโดรเจนเป็นสารรีดิวซ์ที่ทรงพลังที่สุดรองจากถ่านหิน อลูมิเนียม และแคลเซียม คุณสมบัติรีดิวซ์ของไฮโดรเจนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเพื่อให้ได้โลหะและอโลหะ (สารธรรมดา) จากออกไซด์และแกลไลด์

เฟ 2 O 3 + 3H 2 = 2เฟ + 3H 2 โอ

ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับสารเชิงเดี่ยว

ไฮโดรเจนรับอิเล็กตรอนและมีบทบาท สารรีดิวซ์ในปฏิกิริยา:

• กับ ออกซิเจน(เมื่อติดไฟหรือมีตัวเร่งปฏิกิริยา) ในอัตราส่วน 2:1 (ไฮโดรเจน:ออกซิเจน) จะเกิดก๊าซระเบิดขึ้น: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• กับ สีเทา(เมื่อถูกความร้อนถึง 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• กับ คลอรีน(เมื่อถูกจุดหรือฉายรังสี UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• กับ ฟลูออรีน: ส 2 0 +ฟ 2 = 2H +1 ฟ
• กับ ไนโตรเจน(เมื่อถูกความร้อนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาหรือที่ความดันสูง): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

ไฮโดรเจนบริจาคอิเล็กตรอนโดยมีบทบาท ออกซิไดซ์ในการทำปฏิกิริยากับ อัลคาไลน์และ ดินอัลคาไลน์โลหะที่มีการก่อตัวของโลหะไฮไดรด์ - สารประกอบไอออนิกคล้ายเกลือที่มีไฮไดรด์ไอออน H - สิ่งเหล่านี้เป็นสารผลึกสีขาวที่ไม่เสถียร

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

ไม่ใช่เรื่องปกติที่ไฮโดรเจนจะมีสถานะออกซิเดชันที่ -1 เมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำ ไฮไดรด์จะสลายตัว ทำให้น้ำกลายเป็นไฮโดรเจน ปฏิกิริยาของแคลเซียมไฮไดรด์กับน้ำมีดังนี้:

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

ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับสารเชิงซ้อน

• ที่อุณหภูมิสูง ไฮโดรเจนจะรีดิวซ์ออกไซด์ของโลหะจำนวนมาก: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• เมทิลแอลกอฮอล์ได้มาจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับคาร์บอนมอนอกไซด์ (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• ในปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์หลายชนิด

สมการของปฏิกิริยาเคมีของไฮโดรเจนและสารประกอบของมันจะกล่าวถึงโดยละเอียดในหน้า “ไฮโดรเจนและสารประกอบของมัน - สมการของปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจน”

การประยุกต์ไฮโดรเจน

• ในพลังงานนิวเคลียร์จะใช้ไอโซโทปไฮโดรเจน - ดิวทีเรียมและไอโซโทป
• ในอุตสาหกรรมเคมี ไฮโดรเจนใช้สำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์หลายชนิด แอมโมเนีย ไฮโดรเจนคลอไรด์
• ในอุตสาหกรรมอาหาร ไฮโดรเจนถูกใช้ในการผลิตไขมันแข็งผ่านการเติมไฮโดรเจนของน้ำมันพืช
• สำหรับการเชื่อมและตัดโลหะ จะใช้อุณหภูมิการเผาไหม้สูงของไฮโดรเจนในออกซิเจน (2600°C)
• ในการผลิตโลหะบางชนิดจะใช้ไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์ (ดูด้านบน)
• เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นก๊าซเบา จึงถูกนำมาใช้ในการบินเป็นสารตัวเติมสำหรับบอลลูน เครื่องบิน และเรือบิน
• ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงผสมกับ CO

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ให้ความสนใจเป็นอย่างมากกับการค้นหาแหล่งพลังงานหมุนเวียนทางเลือก หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มดีคือพลังงาน "ไฮโดรเจน" ซึ่งไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งผลผลิตจากการเผาไหม้คือน้ำธรรมดา

วิธีการผลิตไฮโดรเจน

วิธีการผลิตไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรม:

• การแปลงมีเทน (การลดตัวเร่งปฏิกิริยาของไอน้ำ) ด้วยไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (800°C) บนตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• การแปลงคาร์บอนมอนอกไซด์ด้วยไอน้ำ (t=500°C) บนตัวเร่งปฏิกิริยา Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• การสลายตัวทางความร้อนของมีเทน: CH 4 = C + 2H 2;
• การแปรสภาพเป็นแก๊สของเชื้อเพลิงแข็ง (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• อิเล็กโทรไลซิสของน้ำ (วิธีการที่มีราคาแพงมากซึ่งผลิตไฮโดรเจนบริสุทธิ์มาก): 2H 2 O → 2H 2 + O 2

วิธีการผลิตไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการ:

• การกระทำกับโลหะ (โดยทั่วไปคือสังกะสี) ด้วยกรดไฮโดรคลอริกหรือกรดซัลฟิวริกเจือจาง: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; สังกะสี + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• ปฏิกิริยาของไอน้ำกับตะไบเหล็กร้อน: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2