Dövri cədvəldə hidrogen xüsusiyyətlərinə görə tamamilə əks olan iki qrup elementdə yerləşir. Bu xüsusiyyət onu tamamilə unikal etmək. Hidrogen təkcə element və ya maddə deyil, həm də var tərkib hissəsiçoxlu kompleks birləşmələr, orqanogen və biogen elementlər. Buna görə də, onun xüsusiyyətlərini və xüsusiyyətlərini daha ətraflı nəzərdən keçirək.
Metalların və turşuların qarşılıqlı təsiri zamanı yanan qazın ayrılması hələ 16-cı əsrdə, yəni kimyanın bir elm kimi formalaşması zamanı müşahidə edilmişdir. Məşhur ingilis alimi Henry Cavendish 1766-cı ildən başlayaraq maddəni tədqiq etdi və ona “yanan hava” adını verdi. Bu qaz yandıqda su əmələ gətirirdi. Təəssüf ki, alimin floqiston nəzəriyyəsinə (hipotetik “ultrafik maddə”) sadiqliyi düzgün nəticələrə gəlməyə mane oldu.
Fransız kimyaçısı və təbiətşünası A.Lavuazye mühəndis J.Mönye ilə birlikdə və xüsusi qazometrlərin köməyi ilə 1783-cü ildə suyu sintez etmiş, sonra isə isti dəmirlə su buxarının parçalanması yolu ilə analiz etmişdir. Beləliklə, alimlər düzgün nəticələrə gələ biliblər. Onlar tapdılar ki, “yanan hava” təkcə suyun bir hissəsi deyil, həm də ondan əldə edilə bilər.
1787-ci ildə Lavoisier tədqiq olunan qazın sadə bir maddə olduğunu və buna görə də ilkin kimyəvi elementlərdən biri olduğunu irəli sürdü. O, bunu hidrogen adlandırdı (yunanca hydor - su + gennao - mən doğuram), yəni "su doğuran".
Rus dilində “hidrogen” adı 1824-cü ildə kimyaçı M. Solovyev tərəfindən təklif edilmişdir. Suyun tərkibinin müəyyən edilməsi “flogiston nəzəriyyəsi”nin sonunu qoydu. 18-19-cu əsrlərin əvvəllərində müəyyən edilmişdir ki, hidrogen atomu çox yüngüldür (digər elementlərin atomları ilə müqayisədə) və onun kütləsi 1-ə bərabər qiymət alaraq atom kütlələrinin müqayisəsi üçün əsas vahid kimi qəbul edilmişdir.
Fiziki xassələri
Hidrogen elmə məlum olan ən yüngül maddədir (havadan 14,4 dəfə yüngüldür), sıxlığı 0,0899 q/l (1 atm, 0 °C) təşkil edir. Bu material müvafiq olaraq -259,1 ° C və -252,8 ° C-də əriyir (bərkləşir) və qaynayır (mayelənir) (yalnız helium daha aşağı qaynama və ərimə temperaturlarına malikdir).
Hidrogenin kritik temperaturu olduqca aşağıdır (-240 °C). Bu səbəbdən onun mayeləşdirilməsi kifayət qədər mürəkkəb və bahalı prosesdir. Kritik təzyiq maddə - 12,8 kqf/sm², kritik sıxlığı isə 0,0312 q/sm³ təşkil edir. Bütün qazlar arasında hidrogen ən yüksək istilik keçiriciliyinə malikdir: 1 atm və 0 °C-də 0,174 W/(mxK) bərabərdir.
Eyni şəraitdə maddənin xüsusi istilik tutumu 14,208 kJ/(kgxK) və ya 3,394 kal/(rx°C) təşkil edir. Bu element suda azca həll olunur (1 atm və 20 °C-də təxminən 0,0182 ml/q), lakin əksər metallarda (Ni, Pt, Pa və başqaları), xüsusən palladiumda yaxşı həll olunur (Pd həcminə təxminən 850 həcm). .
Sonuncu xüsusiyyət onun yayılma qabiliyyəti ilə bağlıdır və karbon ərintisi (məsələn, polad) vasitəsilə diffuziya hidrogenin karbonla qarşılıqlı təsiri nəticəsində ərintinin məhv edilməsi ilə müşayiət oluna bilər (bu proses dekarbonizasiya adlanır). Maye vəziyyətdə maddə çox yüngül (sıxlıq - 0,0708 q/sm³ t° = -253 °C-də) və mayedir (eyni şəraitdə özlülük - 13,8 spoise).
Bir çox birləşmələrdə bu element natrium və digər qələvi metallar kimi +1 valentlik (oksidləşmə vəziyyəti) nümayiş etdirir. Adətən bu metalların analoqu hesab olunur. Müvafiq olaraq, dövri sistemin I qrupuna rəhbərlik edir. Metal hidridlərdə hidrogen ionu mənfi yük nümayiş etdirir (oksidləşmə vəziyyəti -1-dir), yəni Na+H- Na+Cl-xloridinə bənzər bir quruluşa malikdir. Buna və bəzi digər faktlara uyğun olaraq (yaxınlıq fiziki xassələri element “H” və halogenlər, onu üzvi birləşmələrdə halogenlərlə əvəz etmək qabiliyyəti) Hidrogen dövri sistemin VII qrupuna aiddir.
Normal şəraitdə molekulyar hidrogen yalnız ən aktiv qeyri-metallarla (flüor və xlorla, ikincisi işıqda) birləşərək aşağı aktivliyə malikdir. Öz növbəsində, qızdırıldıqda, bir çox kimyəvi elementlə qarşılıqlı təsir göstərir.
Atom hidrogen kimyəvi aktivliyi artırdı (molekulyar hidrogenlə müqayisədə). Oksigenlə düsturla su əmələ gətirir:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
285,937 kJ/mol istilik və ya 68,3174 kkal/mol (25 °C, 1 atm) buraxır. Normal temperatur şəraitində reaksiya kifayət qədər yavaş gedir və t° >= 550 °C-də bu, idarəolunmazdır. Hidrogen + oksigen qarışığının partlayıcı həddi həcmcə 4-94% H₂, hidrogen + hava qarışığı isə 4-74% H₂-dir (iki həcm H₂ və bir həcm O₂ qarışığı partlayıcı qaz adlanır).
Bu element əksər metalları azaltmaq üçün istifadə olunur, çünki oksidlərdən oksigeni çıxarır:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O və s.
Hidrogen müxtəlif halogenlərlə hidrogen halidləri əmələ gətirir, məsələn:
H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Bununla belə, flüorla reaksiya verərkən hidrogen partlayır (bu, qaranlıqda, -252 ° C-də də olur), brom və xlor ilə yalnız qızdırılanda və ya işıqlandırıldıqda, yod ilə isə yalnız qızdırıldıqda reaksiya verir. Azotla qarşılıqlı əlaqədə olduqda ammiak əmələ gəlir, lakin yalnız katalizatorda, yüksək təzyiq və temperaturda:
ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.
Qızdırıldıqda hidrogen kükürdlə aktiv şəkildə reaksiya verir:
H₂ + S = H₂S (hidrogen sulfid),
tellur və ya selenium ilə daha çətindir. Hidrogen katalizatorsuz, lakin yüksək temperaturda təmiz karbonla reaksiya verir:
2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metan).
Bu maddə bəzi metallarla (qələvi, qələvi torpaq və s.) birbaşa reaksiyaya girərək hidridlər əmələ gətirir, məsələn:
H₂ + 2Li = 2LiH.
Əhəmiyyətli praktik əhəmiyyəti hidrogen və karbon (II) monoksid arasında qarşılıqlı əlaqə var. Bu zaman təzyiqdən, temperaturdan və katalizatordan asılı olaraq müxtəlif üzvi birləşmələr əmələ gəlir: HCHO, CH₃OH və s. Reaksiya zamanı doymamış karbohidrogenlər doymuş olur, məsələn:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Hidrogen və onun birləşmələri kimyada müstəsna rol oynayır. Bu sözdə turşu xüsusiyyətlərini təyin edir. protik turşularla meydana gəlməyə meyllidir müxtəlif elementlər bir çox qeyri-üzvi və üzvi birləşmələrin xüsusiyyətlərinə əhəmiyyətli təsir göstərən hidrogen bağı.
Hidrogen istehsalı
üçün xammalın əsas növləri sənaye istehsalı Bu elementə neft emalı qazları, təbii yanan və koks qazları daxildir. O, həmçinin sudan elektroliz yolu ilə (elektrik enerjisi olan yerlərdə) əldə edilir. Material istehsalının ən vacib üsullarından biridir təbii qaz Karbohidrogenlərin, əsasən metanın su buxarı ilə katalitik qarşılıqlı təsiri (konversiya deyilən) nəzərə alınır. Misal üçün:
CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.
Karbohidrogenlərin oksigenlə natamam oksidləşməsi:
CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.
Sintez edilmiş dəm qazı (II) çevrilməyə məruz qalır:
CO + H₂O = CO₂ + H₂.
Təbii qazdan əldə edilən hidrogen ən ucuzdur.
Suyun elektrolizi üçün NaOH və ya KOH məhlulundan keçən birbaşa cərəyan istifadə olunur (avadanlığın korroziyasının qarşısını almaq üçün turşular istifadə edilmir). Laboratoriya şəraitində material suyun elektrolizi və ya arasında reaksiya nəticəsində əldə edilir xlorid turşusu və sink. Bununla belə, silindrlərdə hazır zavod materialı daha çox istifadə olunur.
Bu element neft emalı qazlarından və koks qazından qaz qarışığının bütün digər komponentlərini çıxararaq təcrid olunur, çünki dərin soyutma zamanı daha asan mayeləşirlər.
Bu material 18-ci əsrin sonlarında sənaye üsulu ilə istehsal olunmağa başladı. Sonra doldurmaq üçün istifadə edildi şarlar. Hazırda hidrogen sənayedə, əsasən kimya sənayesində ammonyak istehsalı üçün geniş istifadə olunur.
Maddənin kütləvi istehlakçıları metil və digər spirtlərin, sintetik benzinin və bir çox başqa məhsulların istehsalçılarıdır. Onlar karbon monoksit (II) və hidrogendən sintez yolu ilə əldə edilir. Hidrogen ağır və bərk maddələrin hidrogenləşdirilməsi üçün istifadə olunur maye yanacaq, yağlar və s., HCl sintezi, neft məhsullarının hidrotəmizlənməsi, həmçinin metalların kəsilməsi/qaynaqlanması üçün. Ən vacib elementlərüçün atom Enerjisi onun izotopları - tritium və deuteriumdur.
Hidrogenin bioloji rolu
Canlı orqanizmlərin kütləsinin təxminən 10%-i (orta hesabla) bu elementdən gəlir. Suyun və zülallar, nuklein turşuları, lipidlər və karbohidratlar da daxil olmaqla təbii birləşmələrin ən mühüm qruplarının bir hissəsidir. Nə üçün istifadə olunur?
Bu material həlledici rol oynayır: zülalların məkan quruluşunu saxlamaqda (dördüncü), tamamlayıcılıq prinsipinin həyata keçirilməsində nuklein turşuları(yəni genetik məlumatın həyata keçirilməsində və saxlanmasında), ümumiyyətlə molekulyar səviyyədə “tanınma”da.
Hidrogen ionu H+ bədəndəki mühüm dinamik reaksiyalarda/proseslərdə iştirak edir. O cümlədən: canlı hüceyrələri enerji ilə təmin edən bioloji oksidləşmədə, biosintetik reaksiyalarda, bitkilərdə fotosintezdə, bakterial fotosintezdə və azot fiksasiyasında, turşu-əsas balansı və homeostaz, membran nəqli proseslərində. Karbon və oksigenlə yanaşı, həyat hadisələrinin funksional və struktur əsasını təşkil edir.
Bizim Gündəlik həyat Elə şeylər var ki, onlar haqqında demək olar ki, hər kəs bilir. Məsələn, hamı bilir ki, su mayedir, asanlıqla əldə edilir və yanmaz, buna görə də yanğını söndürə bilir. Ancaq bunun niyə belə olduğunu heç düşünmüsünüzmü?
Şəkil mənbəyi: pixabay.com
Su hidrogen və oksigen atomlarından ibarətdir. Bu elementlərin hər ikisi yanmağı dəstəkləyir. Deməli, ümumi məntiqə əsaslanaraq (elmi deyil) belə çıxır ki, su da yanmalıdır, hə? Lakin bu baş vermir.
Yanma nə vaxt baş verir?
Yanma, molekulların və atomların istilik və işıq şəklində enerji buraxmaq üçün birləşdiyi kimyəvi bir prosesdir. Bir şeyi yandırmaq üçün iki şey lazımdır - yanma mənbəyi kimi yanacaq (məsələn, bir vərəq, bir taxta parçası və s.) və oksidləşdirici (yer atmosferində olan oksigen əsas oksidləşdiricidir). Yanma prosesinin başlaması üçün maddənin alovlanma temperaturuna çatmaq üçün lazım olan istiliyə də ehtiyacımız var.
Şəkil mənbəyi auclip.ru
Məsələn, kibritdən istifadə edərək kağızın yandırılması prosesini nəzərdən keçirək. Bu vəziyyətdə kağız yanacaq olacaq, havada olan qazlı oksigen oksidləşdirici bir maddə kimi çıxış edəcək və alovlanma temperaturu yanan matça görə əldə ediləcəkdir.
Suyun kimyəvi tərkibinin quruluşu
Şəkil mənbəyi: water-service.com.ua
Su iki hidrogen atomundan və bir oksigen atomundan ibarətdir. Onun kimyəvi formula H2O. İndi suyun iki tərkib hissəsinin həqiqətən yanan maddələr olduğunu qeyd etmək maraqlıdır.
Niyə hidrogen yanan maddədir?
Hidrogen atomları yalnız bir elektrona malikdir və buna görə də digər elementlərlə asanlıqla birləşirlər. Bir qayda olaraq, hidrogen təbiətdə molekulları iki atomdan ibarət olan qaz şəklində olur. Bu qaz yüksək reaktivdir və oksidləşdirici maddənin iştirakı ilə tez oksidləşir və onu alışqan edir.
Şəkil mənbəyi: myshared.ru
Hidrogen yandırıldıqda böyük miqdarda enerji ayrılır, buna görə də kosmosa kosmosa göndərmək üçün tez-tez mayeləşdirilmiş formada istifadə olunur.
Oksigen yanmağı dəstəkləyir
Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, hər hansı bir yanma oksidləşdirici tələb edir. Bir çox kimyəvi oksidləşdirici maddələr var, o cümlədən oksigen, ozon, hidrogen peroksid, flüor və s. Oksigen Yer atmosferində bol olan əsas oksidləşdirici maddədir. O, adətən əksər yanğınlarda əsas oksidləşdirici maddədir. Buna görə yanğını qorumaq üçün daimi oksigen təchizatı lazımdır.
Su yanğını söndürür
Su bir sıra səbəblərə görə yanğını söndürə bilər, bunlardan biri ayrı-ayrılıqda odlu cəhənnəm yarada bilən iki elementdən ibarət olmasına baxmayaraq, onun alışmayan maye olmasıdır.
Su yanğınları söndürmək üçün ən çox yayılmış vasitədir. Şəkil mənbəyi: pixabay.com
Daha əvvəl dediyimiz kimi, hidrogen çox alovlanır, ona lazım olan tək şey reaksiyaya başlamaq üçün oksidləşdirici maddə və alovlanma temperaturudur. Oksigen yer üzündə ən çox yayılmış oksidləşdirici maddə olduğundan hidrogen atomları ilə tez birləşərək çoxlu miqdarda işıq və istilik buraxır və su molekulları əmələ gəlir. Bunun necə baş verdiyi budur:
Nəzərə alın ki, hidrogenin az miqdarda oksigen və ya hava ilə qarışığı partlayıcıdır və partlayıcı qaz adlanır, partlayış kimi qəbul edilən yüksək səslə çox tez yanır. 1937-ci ildə Nyu-Cersidə Hindenburq dirijablının fəlakəti dirijablın qabığını dolduran hidrogenin alışması nəticəsində onlarla insanın həyatına son qoydu. Hidrogenin asan alovlanma qabiliyyəti və oksigenlə birlikdə partlayıcılığıdır Əsas səbəb laboratoriyalarda suyu kimyəvi yolla əldə etməməyimiz.
Hidrogen H Kainatda ən çox yayılmış elementdir (kütləvi olaraq təxminən 75%) və Yerdə ən çox yayılmış doqquzuncudur. Ən vacib təbii hidrogen birləşməsi sudur.
Hidrogen dövri cədvəldə birinci yerdədir (Z = 1). Ən sadə atom quruluşuna malikdir: atomun nüvəsi 1 protondur, 1 elektrondan ibarət elektron buludu ilə əhatə olunmuşdur.
Bəzi şərtlərdə hidrogen metal xüsusiyyətlər nümayiş etdirir (bir elektron verir), digərlərində isə qeyri-metal xüsusiyyətlər nümayiş etdirir (elektron qəbul edir).
Təbiətdə tapılan hidrogen izotopları bunlardır: 1H - protium (nüvə bir protondan ibarətdir), 2H - deuterium (D - nüvə bir proton və bir neytrondan ibarətdir), 3H - tritium (T - nüvə bir proton və ikidən ibarətdir. neytronlar).
Sadə maddə hidrogen
Hidrogen molekulu kovalent qeyri-qütb bağı ilə bağlanmış iki atomdan ibarətdir.
Fiziki xassələri. Hidrogen rəngsiz, qoxusuz, dadsız, zəhərli olmayan qazdır. Hidrogen molekulu qütblü deyil. Buna görə də hidrogen qazında molekullararası qarşılıqlı təsir qüvvələri kiçikdir. Bu da özünü göstərir aşağı temperaturlar qaynama (-252,6 0С) və ərimə (-259,2 0С).
Hidrogen havadan yüngüldür, D (hava ilə) = 0,069; suda az həll olunur (2 həcm H2 100 həcm H2O-da həll olunur). Buna görə də, hidrogen, laboratoriyada istehsal edildikdə, hava və ya su yerdəyişmə üsulları ilə toplana bilər.
Hidrogen istehsalı
Laboratoriyada:
1. Seyreltilmiş turşuların metallara təsiri:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2
2. Qələvi ilə qarşılıqlı təsir metallar su ilə:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2
3. Hidridlərin hidrolizi: metal hidridlər su ilə asanlıqla parçalanır və müvafiq qələvi və hidrogeni əmələ gətirir:
NaH +H 2 O → NaOH +H 2
CaH 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2
4. Qələvilərin sink və ya alüminium və ya silikona təsiri:
2Al +2NaOH +6H 2 O → 2Na +3H 2
Zn +2KOH +2H 2 O → K 2 +H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2
5. Suyun elektrolizi. Suyun elektrik keçiriciliyini artırmaq üçün ona bir elektrolit əlavə olunur, məsələn, NaOH, H 2 SO 4 və ya Na 2 SO 4. Katodda 2 həcm hidrogen, anodda isə 1 həcm oksigen əmələ gəlir.
2H 2 O → 2H 2 +O 2
Hidrogenin sənaye istehsalı
1. Buxarla metanın çevrilməsi, Ni 800 °C (ən ucuz):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Toplam:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. 1000 o C-də isti koks vasitəsilə su buxarı:
C + H 2 O → CO + H 2
CO +H 2 O → CO 2 + H 2
Nəticədə meydana gələn dəm qazı (IV) su tərəfindən udulur və sənaye hidrogeninin 50%-i bu yolla əmələ gəlir.
3. Dəmir və ya nikel katalizatorunun iştirakı ilə metanı 350°C-ə qədər qızdırmaqla:
CH 4 → C + 2H 2
4. Əlavə məhsul kimi KCl və ya NaCl-nin sulu məhlullarının elektrolizi:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
Hidrogenin kimyəvi xassələri
- Birləşmələrdə hidrogen həmişə monovalentdir. +1 oksidləşmə vəziyyəti ilə xarakterizə olunur, lakin metal hidridlərdə -1-ə bərabərdir.
- Hidrogen molekulu iki atomdan ibarətdir. Onların arasında əlaqənin yaranması H:H və ya H 2 ümumiləşdirilmiş elektron cütünün əmələ gəlməsi ilə izah olunur.
- Elektronların bu ümumiləşdirilməsi sayəsində H 2 molekulu ayrı-ayrı atomlarına nisbətən enerji baxımından daha sabitdir. 1 mol hidrogen molekulunu atomlara parçalamaq üçün 436 kJ enerji sərf etmək lazımdır: H 2 = 2H, ∆H° = 436 kJ/mol.
- Bu, adi temperaturda molekulyar hidrogenin nisbətən aşağı aktivliyini izah edir.
- Bir çox qeyri-metallarla hidrogen RH 4, RH 3, RH 2, RH kimi qazlı birləşmələr əmələ gətirir.
1) Halojenlərlə hidrogen halogenidləri əmələ gətirir:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
Eyni zamanda flüorla partlayır, xlor və bromla yalnız işıqlandırıldıqda və ya qızdırıldıqda, yodla isə yalnız qızdırıldıqda reaksiya verir.
2) Oksigenlə:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
istilik buraxılması ilə. Normal temperaturda reaksiya yavaş gedir, 550°C-dən yuxarı olduqda partlayır. 2 həcm H 2 və 1 həcm O 2 qarışığına partlayıcı qaz deyilir.
3) Qızdırıldıqda kükürdlə güclü reaksiya verir (selen və tellurla daha çətin):
H 2 + S → H 2 S (hidrogen sulfid),
4) Yalnız katalizatorda və yüksək temperatur və təzyiqlərdə ammonyak əmələ gətirən azotla:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) Yüksək temperaturda karbonla:
2H 2 + C → CH 4 (metan)
6) Qələvi və qələvi torpaq metalları ilə hidridlər əmələ gətirir (hidrogen oksidləşdirici maddədir):
H 2 + 2Li → 2LiH
metal hidridlərdə hidrogen ionu mənfi yüklüdür (oksidləşmə vəziyyəti -1), yəni Na + H hidrid - Na + Cl xloridinə bənzər qurulmuşdur -
7) Metal oksidləri ilə (metalları azaltmaq üçün istifadə olunur):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O
8) dəm qazı ilə (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Sintez - qaz (hidrogen və karbon monoksit qarışığı) mühüm praktik əhəmiyyətə malikdir, çünki temperaturdan, təzyiqdən və katalizatordan asılı olaraq müxtəlif üzvi birləşmələr, məsələn, HCHO, CH 3 OH və başqaları əmələ gəlir.
9) Doymamış karbohidrogenlər hidrogenlə reaksiyaya girərək doymuş olurlar:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.
§3. Reaksiya tənliyi və onun necə yazılması
Qarşılıqlı əlaqə hidrogen ilə oksigen Ser Henry Cavendish-in qurduğu kimi, suyun əmələ gəlməsinə səbəb olur. Gəlin bununla davam edək sadə misal bəstələməyi öyrənək kimyəvi reaksiya tənlikləri.
Nə çıxır hidrogen Və oksigen, biz artıq bilirik:
H 2 + O 2 → H 2 O
İndi nəzərə alaq ki, kimyəvi reaksiyalarda kimyəvi elementlərin atomları yox olmur və yoxdan yaranmır, bir-birinə çevrilmir, əksinə yeni kombinasiyalarda birləşdirin, yeni molekullar əmələ gətirir. Beləliklə, tənlikdə kimyəvi reaksiya hər növün eyni sayda atomu olmalıdır əvvəl reaksiyalar ( sol bərabər işarədən) və sonra reaksiyanın sonu ( sağda bərabər işarədən), bu kimi:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
Bu budur reaksiya tənliyi - maddələrin düsturlarından və əmsallardan istifadə etməklə davam edən kimyəvi reaksiyanın şərti qeydi.
Bu o deməkdir ki, verilən reaksiyada iki mol hidrogen ilə reaksiya verməlidir bir mol oksigen, və nəticə olacaq iki mol su.
Qarşılıqlı əlaqə hidrogen ilə oksigen- heç də sadə proses deyil. Bu elementlərin oksidləşmə dərəcələrinin dəyişməsinə səbəb olur. Belə tənliklərdə əmsalları seçmək üçün adətən " elektron balans".
Su hidrogen və oksigendən əmələ gələndə bu o deməkdir ki hidrogen oksidləşmə vəziyyətini dəyişdi 0 əvvəl +I, A oksigen-dən 0 əvvəl −II. Bu vəziyyətdə bir neçəsi hidrogen atomlarından oksigen atomlarına keçdi. (n) elektronlar:
Hidrogen verən elektronlar burada xidmət edir azaldıcı agent, və oksigeni qəbul edən elektronlardır oksidləşdirici maddə.
Oksidləşdirici maddələr və azaldıcı maddələr
İndi elektronların verilməsi və qəbulu proseslərinin ayrı-ayrılıqda necə göründüyünə baxaq. hidrogen, "quldur" oksigenlə qarşılaşaraq bütün aktivlərini - iki elektronunu itirir və oksidləşmə vəziyyəti bərabər olur. +I:
N 2 0 − 2 e− = 2Н +I
baş verdi oksidləşmə yarım reaksiya tənliyi hidrogen.
Və quldur - oksigen O 2, bədbəxt hidrogendən son elektronları götürərək, yeni oksidləşmə vəziyyətindən çox məmnundur. -II:
O2+4 e− = 2O −II
Bu reduksiya yarımreaksiya tənliyi oksigen.
Əlavə etmək qalır ki, həm "quldur", həm də onun "qurbanı" kimyəvi fərdiliyini itirib və sadə maddələrdən - iki atomlu molekullu qazlardan hazırlanır. H 2 Və O 2 yeni kimyəvi maddənin komponentlərinə çevrildi - su H 2 O.
Daha sonra aşağıdakı kimi əsaslandıracağıq: reduksiya agenti oksidləşdirici quldura nə qədər elektron verdi, bu qədər elektron aldı. Reduksiyaedicinin verdiyi elektronların sayı oksidləşdirici maddənin qəbul etdiyi elektronların sayına bərabər olmalıdır..
Deməli, lazımdır elektronların sayını bərabərləşdirir birinci və ikinci yarım reaksiyalarda. Kimyada yarım reaksiya tənliklərinin yazılmasının aşağıdakı şərti forması qəbul edilir:
2 N 2 0 − 2 e− = 2Н +I |
|
1 O 2 0 + 4 e− = 2O −II |
Burada əyri mötərizənin solunda 2 və 1 rəqəmləri verilən və qəbul edilən elektronların sayının bərabər olmasını təmin edəcək amillərdir. Nəzərə alaq ki, yarımreaksiya tənliklərində 2 elektron verilir, 4 isə qəbul edilir.Qəbul olunan və verilən elektronların sayını bərabərləşdirmək üçün ən kiçik ümumi çoxlu və əlavə amilləri tapın. Bizim vəziyyətimizdə ən kiçik ümumi çoxluq 4-dür. Hidrogen üçün əlavə amillər 2 (4: 2 = 2) və oksigen üçün - 1 (4: 4 = 1) olacaqdır.
Nəticə çarpanları gələcək reaksiya tənliyinin əmsalları kimi xidmət edəcəkdir:
2H 2 0 + O 2 0 = 2H 2 +I O −II
hidrogen oksidləşir təkcə görüşərkən deyil oksigen. Onlar hidrogen üzərində təxminən eyni şəkildə hərəkət edirlər. flüor F 2, bir halogen və məlum "quldur" və zahirən zərərsizdir azot N 2:
H 2 0 + F 2 0 = 2H +I F −I |
3H 2 0 + N 2 0 = 2N −III H 3 +I |
Bu vəziyyətdə ortaya çıxır hidrogen ftorid HF və ya ammonyak NH 3.
Hər iki birləşmədə oksidləşmə vəziyyətidir hidrogen bərabər olur +I, çünki o, digər insanların elektron mallarına “acgöz” olan, yüksək elektromənfiliyi olan molekul tərəfdaşları əldə edir - flüor F Və azot N. U azot elektronmənfiliyin qiyməti üç şərti vahidə bərabər hesab edilir və ftoridÜmumiyyətlə, bütün kimyəvi elementlər arasında ən yüksək elektronmənfilik dörd vahiddir. Təəccüblü deyil ki, onlar yoxsul hidrogen atomunu heç bir elektron mühit olmadan tərk etdilər.
Amma hidrogen ola bilər bərpa edin- elektronları qəbul edir. Bu, hidrogendən daha aşağı elektromənfiliyə malik olan qələvi metallar və ya kalsiumla reaksiyada iştirak edərsə baş verir.
10.1.Hidrogen
"Hidrogen" adı həm kimyəvi elementə, həm də sadə bir maddəyə aiddir. Element hidrogen hidrogen atomlarından ibarətdir. Sadə maddə hidrogen hidrogen molekullarından ibarətdir.
A) Kimyəvi element hidrogen
Elementlərin təbii seriyasında hidrogenin seriya nömrəsi 1-dir. Elementlər sistemində hidrogen IA və ya VIIA qrupunda birinci dövrdədir.
Hidrogen Yer kürəsində ən çox yayılmış elementlərdən biridir. Yerin atmosferində, hidrosferində və litosferində (birlikdə yer qabığı adlanır) hidrogen atomlarının mol nisbəti 0,17-dir. Suda, bir çox minerallarda, neftdə, təbii qazda, bitki və heyvanlarda olur. Orta insan bədənində təxminən 7 kiloqram hidrogen var.
Hidrogenin üç izotopu var:
a) yüngül hidrogen - protium,
b) ağır hidrogen - deyterium(D),
c) çox ağır hidrogen - tritium(T).
Tritium qeyri-sabit (radioaktiv) izotopdur, ona görə də təbiətdə praktiki olaraq heç vaxt tapılmır. Deuterium sabitdir, lakin çox azdır: w D = 0,015% (bütün yer hidrogeninin kütləsindən). Buna görə də hidrogenin atom kütləsi 1 Dn-dən (1,00794 Dn) çox az fərqlənir.
b) Hidrogen atomu
Kimya kursunun əvvəlki bölmələrindən siz artıq hidrogen atomunun aşağıdakı xüsusiyyətlərini bilirsiniz:
Hidrogen atomunun valentlik imkanları tək valentlik orbitalında bir elektronun olması ilə müəyyən edilir. Yüksək ionlaşma enerjisi hidrogen atomunu elektrondan imtina etməyə meylli edir və çox yüksək olmayan elektron yaxınlıq enerjisi onu qəbul etməyə cüzi bir meylə səbəb olur. Nəticə etibarilə, kimyəvi sistemlərdə H kationunun əmələ gəlməsi qeyri-mümkündür və H anionu ilə birləşmələr çox sabit deyil. Beləliklə, hidrogen atomunun bir qoşalaşmamış elektronu sayəsində digər atomlarla kovalent əlaqə yaratma ehtimalı yüksəkdir. İstər anion əmələ gəlməsi, istərsə də kovalent rabitənin yaranması halında hidrogen atomu monovalent olur.
Sadə bir maddədə hidrogen atomlarının oksidləşmə vəziyyəti sıfırdır, əksər birləşmələrdə hidrogen +I oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirir və yalnız ən az elektronmənfi elementlərin hidridlərində hidrogenin oksidləşmə vəziyyəti -I olur.
Hidrogen atomunun valentlik imkanları haqqında məlumat Cədvəl 28-də verilmişdir. Hər hansı bir atomla bir kovalent əlaqə ilə bağlanmış hidrogen atomunun valentlik vəziyyəti cədvəldə “H-” simvolu ilə göstərilmişdir.
Cədvəl 28.Hidrogen atomunun valentlik imkanları
Valentlik vəziyyəti |
Kimyəvi maddələrin nümunələri |
|||
I |
HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH |
|||
NaH, KH, CaH 2, BaH 2 |
c) Hidrogen molekulu
İki atomlu hidrogen molekulu H2, hidrogen atomları onlar üçün mümkün olan yeganə kovalent əlaqə ilə bağlandıqda əmələ gəlir. Əlaqə mübadilə mexanizmi ilə formalaşır. Elektron buludlarının üst-üstə düşmə üsuluna görə, bu, s rabitəsidir (şək. 10.1). A). Atomlar eyni olduğundan, bağ qeyri-qütbdür.
Hidrogen molekulunda atomlararası məsafə (daha doğrusu, tarazlıq atomlararası məsafə, çünki atomlar titrəyir) r(H–H) = 0,74 A (Şəkil 10.1 V), orbital radiusların cəmindən (1,06 A) əhəmiyyətli dərəcədə azdır. Nəticədə, bağlanmış atomların elektron buludları dərindən üst-üstə düşür (şək. 10.1). b) və hidrogen molekulunda olan bağ güclüdür. Bu, demək olar ki, eyni şeydir böyük əhəmiyyət kəsb edir bağlama enerjisi (454 kJ/mol).
Əgər molekulun formasını sərhəd səthi ilə xarakterizə etsək (elektron buludunun sərhəd səthinə bənzəyir), onda deyə bilərik ki, hidrogen molekulu bir qədər deformasiyaya uğramış (uzadılmış) top şəklinə malikdir (şək. 10.1). G).
d) Hidrogen (maddə)
Normal şəraitdə hidrogen rəngsiz və qoxusuz qazdır. Kiçik miqdarda zəhərli deyil. Bərk hidrogen 14 K (–259 °C), maye hidrogen isə 20 K (–253 °C) temperaturda əriyir. Aşağı ərimə və qaynama nöqtələri, maye hidrogenin mövcudluğu üçün çox kiçik bir temperatur diapazonu (yalnız 6 ° C), həmçinin ərimə (0,117 kJ / mol) və buxarlanma (0,903 kJ / mol) molyar istiliklərinin kiçik dəyərləri ) hidrogendə molekullararası bağların çox zəif olduğunu göstərir.
Hidrogen sıxlığı r(H 2) = (2 q/mol): (22,4 l/mol) = 0,0893 q/l. Müqayisə üçün: havanın orta sıxlığı 1,29 q/l təşkil edir. Yəni, hidrogen havadan 14,5 dəfə "yüngüldür". Suda praktiki olaraq həll olunmur.
Otaq temperaturunda hidrogen qeyri-aktivdir, lakin qızdırıldıqda bir çox maddə ilə reaksiya verir. Bu reaksiyalarda hidrogen atomları oksidləşmə vəziyyətini artıra və ya azalda bilər: H 2 + 2 e– = 2Н –I, Н 2 – 2 e– = 2Н +I.
Birinci halda, hidrogen oksidləşdirici maddədir, məsələn, natrium və ya kalsium ilə reaksiyalarda: 2Na + H 2 = 2NaH, ( t) Ca + H 2 = CaH 2 . ( t)
Lakin hidrogenin azaldıcı xüsusiyyətləri daha xarakterikdir: O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( t)
Qızdırıldıqda hidrogen təkcə oksigenlə deyil, həm də bəzi digər qeyri-metallarla, məsələn, flüor, xlor, kükürd və hətta azotla oksidləşir.
Laboratoriyada reaksiya nəticəsində hidrogen əmələ gəlir
Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.
Sink əvəzinə dəmir, alüminium və bəzi digər metallardan, sulfat turşusu əvəzinə isə bəzi digər seyreltilmiş turşulardan istifadə edə bilərsiniz. Nəticədə hidrogen suyun yerini dəyişdirərək sınaq borusunda toplanır (bax. Şəkil 10.2. b) və ya sadəcə ters çevrilmiş kolbaya (şək. 10.2 A).
Sənayedə hidrogen təbii qazdan (əsasən metan) nikel katalizatorunun iştirakı ilə 800 °C-də su buxarı ilə reaksiya verərək böyük miqdarda istehsal olunur:
CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 +CO 2 ( t, Ni)
və ya kömürü yüksək temperaturda su buxarı ilə müalicə edin:
2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( t)
Təmiz hidrogen sudan elektrik cərəyanı ilə parçalanaraq əldə edilir (elektrolizə məruz qalır):
2H 2 O = 2H 2 + O 2 (elektroliz).
e) Hidrogen birləşmələri
Hidridlər (tərkibində hidrogen olan ikili birləşmələr) iki əsas növə bölünür:
a) uçucu
(molekulyar) hidridlər,
b) duz kimi (ion) hidridlər.
IVA – VIIA qruplarının elementləri və bor molekulyar hidridlər əmələ gətirir. Bunlardan yalnız qeyri-metalları əmələ gətirən elementlərin hidridləri sabitdir:
B2H6;CH4; NH3; H2O; HF
SiH 4 ;PH 3 ; H2S; HCl
AsH3; H2Se; HBr
H2Te; salam
Su istisna olmaqla, bütün bu birləşmələr otaq temperaturunda qaz halında olan maddələrdir, buna görə də onların adı - "uçucu hidridlər".
Qeyri-metalları əmələ gətirən bəzi elementlər daha mürəkkəb hidridlərdə də olur. Məsələn, karbon C ümumi düsturları olan birləşmələr əmələ gətirir n H 2 n+2, C n H 2 n, C n H 2 n-2 və başqaları, harada nçox böyük ola bilər (bu birləşmələr üzvi kimyada öyrənilir).
İon hidridlərə qələvi, qələvi torpaq elementləri və maqnezium hidridləri daxildir. Bu hidridlərin kristalları H anionlarından və ən yüksək oksidləşmə vəziyyətində olan Me və ya Me 2 (elementlər sisteminin qrupundan asılı olaraq) metal kationlarından ibarətdir.
| LiH | |
| NaH | MgH 2 |
| KH | CaH2 |
| RbH | SrH 2 |
| CsH | BaH 2 |
Həm ion, həm də demək olar ki, bütün molekulyar hidridlər (H 2 O və HF istisna olmaqla) azaldıcı maddələrdir, lakin ion hidridlər molekulyar olanlardan daha güclü azaldıcı xüsusiyyətlər nümayiş etdirirlər.
Hidridlərə əlavə olaraq, hidrogen hidroksidlərin və bəzi duzların bir hissəsidir. Bu daha mürəkkəb hidrogen birləşmələrinin xassələri ilə növbəti fəsillərdə tanış olacaqsınız.
Sənayedə istehsal olunan hidrogenin əsas istehlakçıları ammonyak və azot gübrələri istehsalı zavodlarıdır, burada ammiak birbaşa azot və hidrogendən alınır:
N 2 +3H 2 2NH 3 ( R, t, Pt – katalizator).
Hidrogen 2H 2 + CO = CH 3 OH ( 2H 2 + CO = CH 3 OH reaksiyası ilə metil spirti (metanol) istehsal etmək üçün böyük miqdarda istifadə olunur. t, ZnO – katalizator), eləcə də birbaşa xlor və hidrogendən alınan hidrogen xlorid istehsalında:
H 2 + Cl 2 = 2HCl.
Bəzən hidrogen metallurgiyada təmiz metalların istehsalında reduksiyaedici kimi istifadə olunur, məsələn: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
1. a) protiumun, b) deyteriumun, c) tritiumun nüvələri hansı hissəciklərdən ibarətdir?
2.Hidrogen atomunun ionlaşma enerjisini digər elementlərin atomlarının ionlaşma enerjisi ilə müqayisə edin. Bu xüsusiyyət baxımından hidrogen hansı elementə daha yaxındır?
3. Elektron yaxınlıq enerjisi üçün də eyni şeyi edin
4. Kovalent rabitənin qütbləşmə istiqamətini və birləşmələrdə hidrogenin oksidləşmə dərəcəsini müqayisə edin: a) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; b) CH 4, SiH 4, GeH 4.
5. Hidrogenin ən sadə, molekulyar, struktur və fəza düsturunu yazın. Hansı ən çox istifadə olunur?
6. Çox vaxt deyirlər: “Hidrogen havadan yüngüldür”. Bu nə deməkdir? Hansı hallarda bu ifadə hərfi mənada götürülə bilər, hansı hallarda alına bilməz?
7. Kalium və kalsium hidridlərinin, həmçinin ammonyak, hidrogen sulfid və hidrogen bromidin struktur düsturlarını qurun.
8.Hidrogenin əriməsi və buxarlanmasının molyar istiliklərini bilməklə, müvafiq xüsusi kəmiyyətlərin qiymətlərini təyin edin.
9. Əsası göstərən dörd reaksiyanın hər biri üçün Kimyəvi xassələri hidrogen, elektron tarazlığı yaradır. Oksidləşdirici və azaldıcı maddələri etiketləyin.
10. Laboratoriya üsulu ilə 4,48 litr hidrogen hasil etmək üçün lazım olan sinkin kütləsini təyin edin.
11. 1:2 həcm nisbətində götürülmüş 30 m 3 metan və su buxarı qarışığından 80% məhsuldarlıqla əldə edilə bilən hidrogenin kütləsini və həcmini təyin edin.
12. Hidrogenin a) flüorla, b) kükürdlə qarşılıqlı təsiri zamanı baş verən reaksiyalar üçün tənliklər qurun.
13. Aşağıdakı reaksiya sxemləri ion hidridlərinin əsas kimyəvi xassələrini təsvir edir:
a) MH + O 2 MOH ( t); b) MH + Cl 2 MCl + HCl ( t);
c) MH + H 2 O MOH + H 2 ; d) MH + HCl(p) MCl + H 2
Burada M litium, natrium, kalium, rubidium və ya seziumdur. M natriumdursa, müvafiq reaksiyalar üçün tənlikləri yazın. Reaksiya tənliklərindən istifadə edərək kalsium hidridin kimyəvi xassələrini təsvir edin.
14. Elektron balansı metodundan istifadə edərək, bəzi molekulyar hidridlərin reduksiyaedici xüsusiyyətlərini göstərən aşağıdakı reaksiyalar üçün tənliklər yaradın:
a) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( t); b) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( t); c) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( t).
10.2 Oksigen
Hidrogenlə olduğu kimi, "oksigen" sözü həm kimyəvi elementin adıdır, həm də sadə maddə. Sadə məsələdən başqa" oksigen"(dioksigen) kimyəvi element oksigen "adlı başqa sadə maddə əmələ gətirir. ozon"(trioksigen). Bu allotropik dəyişikliklər oksigen. Oksigen maddəsi oksigen molekullarından O 2, ozon maddəsi isə O 3 ozon molekullarından ibarətdir.
a) Kimyəvi element oksigen
Elementlərin təbii seriyasında oksigenin seriya nömrəsi 8-dir. Elementlər sistemində oksigen VİA qrupunda ikinci dövrdədir.
Oksigen yer üzündə ən bol elementdir. Yer qabığında hər ikinci atom bir oksigen atomudur, yəni Yerin atmosferində, hidrosferində və litosferində oksigenin molyar payı təxminən 50% təşkil edir. Oksigen (maddə) - komponent hava. Havada oksigenin həcm payı 21% təşkil edir. Oksigen (bir element) suda, bir çox minerallarda, bitki və heyvanlarda olur. İnsan orqanizmində orta hesabla 43 kq oksigen var.
Təbii oksigen üç izotopdan (16 O, 17 O və 18 O) ibarətdir ki, bunlardan ən yüngül izotop 16 O ən çox yayılmışdır.Ona görə də oksigenin atom kütləsi 16 Dn-ə (15,9994 Dn) yaxındır.
b) Oksigen atomu
Oksigen atomunun aşağıdakı xüsusiyyətlərini bilirsiniz.
Cədvəl 29.Oksigen atomunun valentlik imkanları
Valentlik vəziyyəti |
Kimyəvi maddələrin nümunələri |
|||
Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 * |
||||
-II |
H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 |
|||
NaOH, KOH, Ca(OH) 2, Ba(OH) 2 |
||||
Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3 |
* Bu oksidləri ion birləşmələri də hesab etmək olar.
** Molekuldakı oksigen atomları bu valentlik vəziyyətində deyil; bu, oksigen atomlarının oksidləşmə vəziyyəti sıfıra bərabər olan bir maddənin sadəcə nümunəsidir
Yüksək ionlaşma enerjisi (hidrogen kimi) oksigen atomundan sadə bir kation əmələ gəlməsinin qarşısını alır. Elektron yaxınlıq enerjisi olduqca yüksəkdir (hidrogendən demək olar ki, iki dəfə çoxdur), bu, oksigen atomunun elektron qazanmasına və O 2A anionlarının əmələ gəlməsinə daha çox meylli olmasını təmin edir. Lakin oksigen atomunun elektron yaxınlıq enerjisi hələ də halogen atomlarından və hətta VIA qrupunun digər elementlərindən də aşağıdır. Buna görə də oksigen anionları ( oksid ionları) yalnız atomları elektronları çox asanlıqla verən elementlərlə oksigen birləşmələrində mövcuddur.
İki qoşalaşmamış elektronu paylaşaraq, bir oksigen atomu iki kovalent bağ yarada bilər. Həyəcanlanmanın qeyri-mümkün olması səbəbindən iki tək elektron cütü yalnız donor-akseptor qarşılıqlı təsirinə girə bilər. Beləliklə, bağ çoxluğu və hibridləşmə nəzərə alınmadan oksigen atomu beş valentlik vəziyyətindən birində ola bilər (cədvəl 29).
Oksigen atomu üçün ən tipik valentlik vəziyyətidir W k = 2, yəni iki qoşalaşmamış elektron hesabına iki kovalent rabitənin əmələ gəlməsi.
Oksigen atomunun çox yüksək elektronmənfiliyi (yalnız flüor üçün daha yüksək) ona gətirib çıxarır ki, onun əksər birləşmələrində oksigen -II oksidləşmə vəziyyətinə malikdir. Oksigenin digər oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirdiyi maddələr var, onlardan bəziləri nümunə olaraq Cədvəl 29-da verilmişdir və müqayisəli sabitlik Şəkil 1-də göstərilmişdir. 10.3.
c) Oksigen molekulu
İki atomlu oksigen O 2 molekulunda iki qoşalaşmamış elektron olduğu eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir. Valentlik bağı metodundan istifadə edərək, bu molekulun bu elektron quruluşunu izah etmək mümkün deyil. Bununla belə, oksigen molekulundakı bağın xüsusiyyətləri kovalent bağın xüsusiyyətlərinə yaxındır. Oksigen molekulu qeyri-qütbdür. Atomlararası məsafə ( r o–o = 1,21 A = 121 nm) tək bağla bağlanan atomlar arasındakı məsafədən azdır. Molar bağlama enerjisi olduqca yüksəkdir və 498 kJ/mol təşkil edir.
d) Oksigen (maddə)
Normal şəraitdə oksigen rəngsiz və qoxusuz qazdır. Bərk oksigen 55 K (–218 °C), maye oksigen isə 90 K (–183 °C) temperaturda əriyir.
Bərk və maye oksigendə molekullararası bağlar hidrogenlə müqayisədə bir qədər güclüdür, bunu maye oksigenin mövcudluğunun daha geniş temperatur diapazonu (36 °C) və daha böyük molyar ərimə istilikləri (0,446 kJ/mol) və buxarlanma (6,83 kJ) sübut edir. /mol).
Oksigen suda azca həll olunur: 0 °C-də 100 həcm suda (maye!) yalnız 5 həcm oksigen (qaz!) həll olunur.
Oksigen atomlarının elektron əldə etməyə yüksək meyli və yüksək elektronmənfiliyi oksigenin yalnız oksidləşdirici xüsusiyyətlər nümayiş etdirməsinə səbəb olur. Bu xüsusiyyətlər xüsusilə yüksək temperaturda özünü göstərir.
Oksigen bir çox metallarla reaksiya verir: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( t);
qeyri-metallar: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10,
və mürəkkəb maddələr: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2.
Çox vaxt bu cür reaksiyalar nəticəsində müxtəlif oksidlər əldə edilir (bax II Fəsil § 5), lakin aktiv qələvi metallar, məsələn, natrium yandırıldıqda peroksidlərə çevrilir:
2Na + O 2 = Na 2 O 2.
Yaranan natrium peroksidin struktur formulu (Na) 2 (O-O) təşkil edir.
Oksigenə qoyulmuş yanan bir parça alovlanır. Bu, təmiz oksigeni aşkar etməyin rahat və asan yoludur.
Sənayedə oksigen havadan rektifikasiya (mürəkkəb distillə), laboratoriyada isə müəyyən oksigen tərkibli birləşmələri termal parçalanmaya məruz qoymaqla əldə edilir, məsələn:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 ° C);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 °C, MnO 2 – katalizator);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 °C)
və əlavə olaraq, otaq temperaturunda hidrogen peroksidin katalitik parçalanması ilə: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 katalizator).
Təmiz oksigen sənayedə oksidləşmənin baş verdiyi prosesləri gücləndirmək və yüksək temperaturlu alov yaratmaq üçün istifadə olunur. Raket texnologiyasında maye oksigen oksidləşdirici kimi istifadə olunur.
Oksigen bitkilərin, heyvanların və insanların həyatını davam etdirmək üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir. Normal şəraitdə insanın nəfəs alması üçün havada kifayət qədər oksigen var. Ancaq havanın kifayət qədər olmadığı və ya ümumiyyətlə hava olmadığı şəraitdə (təyyarələrdə, dalğıc işləri zamanı, kosmik gəmilər və s.), tənəffüs üçün tərkibində oksigen olan xüsusi qaz qarışıqları hazırlanır. Oksigen təbabətdə tənəffüs çətinliyinə səbəb olan xəstəliklər üçün də istifadə olunur.
e) Ozon və onun molekulları
Ozon O 3 oksigenin ikinci allotropik modifikasiyasıdır.
Üç atomlu ozon molekulu aşağıdakı düsturlarla təmsil olunan iki struktur arasında aralıq künc quruluşuna malikdir:
Ozon kəskin qoxusu olan tünd mavi qazdır. Güclü oksidləşdirici fəaliyyətinə görə zəhərlidir. Ozon oksigendən bir yarım dəfə "ağırdır" və suda oksigendən bir qədər daha çox həll olunur.
Ozon atmosferdə ildırım elektrik boşalmaları zamanı oksigendən əmələ gəlir:
3O 2 = 2O 3 ().
Normal temperaturda ozon yavaş-yavaş oksigenə çevrilir və qızdırıldıqda bu proses partlayıcı şəkildə baş verir.
Ozon "ozon təbəqəsi" adlanan təbəqənin tərkibindədir. yerin atmosferi, yer üzündəki bütün həyatı qoruyur zərərli təsirlər günəş radiasiyası.
Bəzi şəhərlərdə içməli suyu dezinfeksiya etmək (dezinfeksiya etmək) üçün xlor əvəzinə ozon istifadə olunur.
Aşağıdakı maddələrin struktur düsturlarını çəkin: OF 2, H 2 O, H 2 O 2, H 3 PO 4, (H 3 O) 2 SO 4, BaO, BaO 2, Ba(OH) 2. Bu maddələri adlandırın. Bu birləşmələrdəki oksigen atomlarının valentlik vəziyyətlərini təsvir edin.
Hər bir oksigen atomunun valentliyini və oksidləşmə vəziyyətini təyin edin.
2. Litium, maqnezium, alüminium, silisium, qırmızı fosfor və selenin oksigendə yanma reaksiyaları üçün tənliklər qurun (selen atomları +IV oksidləşmə vəziyyətinə qədər oksidləşir, digər elementlərin atomları ən yüksək oksidləşmə dərəcəsinə qədər oksidləşir). Bu reaksiyaların məhsulları oksidlərin hansı sinfinə aiddir?
3. (normal şəraitdə) a) 9 litr oksigendən, b) 8 q oksigendən neçə litr ozon əldə etmək olar?
Su yer qabığında ən bol olan maddədir. Yerin suyunun kütləsi 10 18 ton qiymətləndirilir. Su planetimizin hidrosferinin əsasını təşkil edir, bundan əlavə, atmosferdə olur, buz şəklində Yerin qütb qapaqlarını və yüksək dağ buzlaqlarını əmələ gətirir, həmçinin müxtəlif süxurların bir hissəsidir. İnsan orqanizmində suyun kütlə payı təxminən 70%-dir.
Su yeganə maddədir ki, hər üç aqreqasiya vəziyyətində öz xüsusi adlarına malikdir.
Su molekulunun elektron quruluşu (Şəkil 10.4 A) biz əvvəllər ətraflı öyrəndik (bax § 7.10).
O-H bağlarının polaritesi və bucaq forması sayəsində su molekulu elektrik dipolu.
Elektrik dipolunun polaritesini xarakterizə etmək üçün "adlı fiziki kəmiyyət" elektrik dipolunun elektrik anı" və ya sadəcə " dipol momenti".
Kimyada dipol momenti debyeslə ölçülür: 1 D = 3,34. 10-30 Sinif. m
Su molekulunda iki qütb kovalent rabitə, yəni hər birinin öz dipol momenti ( və ) olan iki elektrik dipolu var. Molekulun ümumi dipol momenti bu iki momentin vektor cəminə bərabərdir (şək. 10.5):
(H 2 O) = 
,
Harada q 1 və q 2 – hidrogen atomlarında qismən yüklər (+) və – molekulda atomlararası O – H məsafələri. Çünki q 1 = q 2 = q, daha sonra
Su molekulunun və bəzi digər molekulların təcrübi olaraq təyin edilmiş dipol momentləri cədvəldə verilmişdir.
Cədvəl 30.Bəzi qütb molekullarının dipol momentləri
Molekul |
Molekul |
Molekul |
|||
Su molekulunun dipol təbiətini nəzərə alaraq, o, çox vaxt sxematik olaraq aşağıdakı kimi təmsil olunur:
Təmiz su dadı və qoxusu olmayan rəngsiz mayedir. Suyun bəzi əsas fiziki xüsusiyyətləri cədvəldə verilmişdir.
Cədvəl 31.Suyun bəzi fiziki xüsusiyyətləri
Ərimə və buxarlanmanın molyar istiliklərinin böyük dəyərləri (hidrogen və oksigendən daha böyük bir sıra) həm bərk, həm də maye maddədəki su molekullarının bir-birinə olduqca sıx bağlı olduğunu göstərir. Bu əlaqələr "adlanır. hidrogen bağları".
ELEKTRİK DİPOLU, DIPOLE MAMİ, BOND QÜTBELİ, MOLEKUL QÜTBÜTLƏRİ.
Bir oksigen atomunun neçə valent elektronu su molekulunda rabitələrin yaranmasında iştirak edir?
2. Hansı orbitallar üst-üstə düşdükdə su molekulunda hidrogenlə oksigen arasında rabitələr yaranır?
3.H 2 O 2 hidrogen peroksid molekulunda rabitələrin əmələ gəlməsinin diaqramını qurun. Bu molekulun fəza quruluşu haqqında nə deyə bilərsiniz?
4. HF, HCl və HBr molekullarında atomlararası məsafələr müvafiq olaraq 0,92-yə bərabərdir; 1.28 və 1.41. Dipol momentləri cədvəlindən istifadə edərək, bu molekullardakı hidrogen atomlarının qismən yüklərini hesablayın və müqayisə edin.
5. Hidrogen sulfid molekulunda atomlararası məsafələr S – H 1,34, bağlar arasındakı bucaq isə 92°-dir. Kükürd və hidrogen atomlarının qismən yüklərinin dəyərlərini təyin edin. Kükürd atomunun valentlik orbitallarının hibridləşməsi haqqında nə deyə bilərsiniz?
10.4. Hidrogen bağı
Artıq bildiyiniz kimi, hidrogen və oksigenin elektronmənfiliyindəki əhəmiyyətli fərq (2.10 və 3.50) səbəbindən su molekulunda hidrogen atomu böyük bir müsbət qismən yük əldə edir ( q h = 0,33 e) və oksigen atomu daha böyük mənfi qismən yükə malikdir ( q h = –0,66 e). Onu da xatırladaq ki, oksigen atomunda iki tək elektron cütü var sp 3-hibrid AO. Bir su molekulunun hidrogen atomu digər molekulun oksigen atomuna cəlb olunur və əlavə olaraq, hidrogen atomunun yarı boş 1s-AO-su oksigen atomundan bir cüt elektronu qismən qəbul edir. Molekullar arasındakı bu qarşılıqlı təsirlər nəticəsində a xüsusi növ molekullararası bağlar - hidrogen rabitəsi.
Su vəziyyətində hidrogen bağının əmələ gəlməsi sxematik şəkildə aşağıdakı kimi göstərilə bilər:
Son struktur formulunda üç nöqtə (nöqtəli xətt, elektronlar deyil!) hidrogen bağını göstərir.
Hidrogen bağları təkcə su molekulları arasında mövcud deyil. İki şərt yerinə yetirildikdə formalaşır:
1) molekul yüksək qütblü H-E bağına malikdir (E kifayət qədər elektronmənfi element atomunun simvoludur),
2) molekulda böyük mənfi qismən yüklü E atomu və tək elektron cütü var.
E elementi flüor, oksigen və azot ola bilər. E xlor və ya kükürddürsə, hidrogen bağları əhəmiyyətli dərəcədə zəifdir.
Molekullar arasında hidrogen bağları olan maddələrin nümunələri: hidrogen flüorid, bərk və ya maye ammonyak, etil spirti və bir çox başqaları.
Maye hidrogen flüoridində onun molekulları hidrogen bağları ilə kifayət qədər uzun zəncirlərə bağlanır, maye və bərk ammonyakda isə üçölçülü şəbəkələr əmələ gəlir.
Hidrogen bağının gücü aralıqdır kimyəvi bağ və molekullararası bağların digər növləri. Hidrogen bağının molar enerjisi adətən 5 ilə 50 kJ/mol arasında dəyişir.
Bərk suda (yəni, buz kristalları) bütün hidrogen atomları oksigen atomlarına hidrogen bağlıdır, hər bir oksigen atomu iki hidrogen bağı əmələ gətirir (hər iki tək elektron cütündən istifadə etməklə). Bu quruluş, bəzi hidrogen bağlarının pozulduğu maye su ilə müqayisədə buzu daha "boş" edir və molekullar bir az daha sıx "paket" edə bilir. Buzun quruluşunun bu xüsusiyyəti, əksər maddələrdən fərqli olaraq, bərk vəziyyətdə olan suyun maye vəziyyətindən daha az sıxlığa malik olmasını izah edir. Su maksimum sıxlığına 4 ° C-də çatır - bu temperaturda kifayət qədər çox hidrogen bağı pozulur və istilik genişlənməsi hələ sıxlığa çox güclü təsir göstərmir.
Hidrogen bağları həyatımızda çox vacibdir. Bir anlıq hidrogen bağlarının əmələ gəlməsini dayandırdığını təsəvvür edək. Budur bəzi nəticələr:
- otaq temperaturunda su qaz halına gələcək, çünki qaynama nöqtəsi təxminən -80 ° C-ə düşəcək;
- bütün su obyektləri dibdən donmağa başlayacaq, çünki buzun sıxlığı maye suyun sıxlığından çox olacaq;
- DNT-nin ikiqat spiral və daha çoxu mövcud olmağı dayandıracaq.
Verilən misallar belə olduqda planetimizdəki təbiətin tamamilə fərqli olacağını başa düşmək üçün kifayətdir.
HİDROGEN BAĞI, ONUN YARAMA ŞƏRTLƏRİ.
Etil spirtinin formulu CH 3 – CH 2 – O – H-dir. Bu maddənin müxtəlif molekullarının hansı atomları arasında hidrogen bağları əmələ gəlir? Onların əmələ gəlməsini təsvir edən struktur düsturları yazın.
2. Hidrogen bağları təkcə ayrı-ayrı maddələrdə deyil, məhlullarda da mövcuddur. ilə göstərin struktur formulları Hidrogen bağları necə əmələ gəlir sulu məhlul a) ammonyak, b) hidrogen ftorid, c) etanol (etil spirti). = 2H 2 O.
Bu reaksiyaların hər ikisi suda daim və eyni sürətlə baş verir, buna görə də suda tarazlıq yaranır: 2H 2 O AN 3 O + OH.
Bu tarazlıq adlanır avtoprotolizin tarazlığı su.
Bu geri dönən prosesin birbaşa reaksiyası endotermikdir, buna görə də qızdırıldıqda avtoprotoliz artır, lakin otaq temperaturunda tarazlıq sola sürüşür, yəni H 3 O və OH ionlarının konsentrasiyası əhəmiyyətsizdir. Onlar nəyə bərabərdirlər?
Kütləvi hərəkət qanununa görə
Lakin reaksiyaya girən su molekullarının sayı su molekullarının ümumi sayı ilə müqayisədə əhəmiyyətsiz olduğundan, avtoprotoliz zamanı suyun konsentrasiyasının praktiki olaraq dəyişmədiyini və 2 = const əks yüklü ionların belə aşağı konsentrasiyası Təmiz su bu mayenin niyə zəif olsa da, hələ də elektrik cərəyanını keçirdiyini izah edir.
SUYUN AVTOPROTOLİZİ, SUYUN AVTOPROTOLİZİ SABİT (İON MƏHSULU).
Maye ammonyakın ion məhsulu (qaynama nöqtəsi –33 °C) 2·10 –28-dir. Ammonyakın avtoprotolizi üçün tənlik yazın. Saf maye ammonyakda ammonium ionlarının konsentrasiyasını təyin edin. Hansı maddənin elektrik keçiriciliyi daha yüksəkdir, su və ya maye ammonyak?
1. Hidrogenin alınması və onun yanması (azaldıcı xassələri).
2. Oksigenin alınması və onun tərkibindəki maddələrin yandırılması (oksidləşdirici xüsusiyyətlər).
